Deep Dive: Klangfelder des Klaviers und Auswirkungen auf die Mikrofonierung

Das Piano als Klangquelle

Nahfeld vs. Fernfeld

Das Nahfeld wird oft als der Bereich um eine Schallquelle definiert, in dem der Raum keinen Einfluss hat. Beim Klavier ist das im Grunde genommen der Bereich, in dem sich die Mikrofone sehr nahe an den Saiten befinden. Dies ist jedoch nicht der Ort, an den sich eine Person zum Zuhören positionieren würde. Es gibt noch eine andere Möglichkeit, das Nahfeld zu definieren: aus der Perspektive des Pianisten am Klavier. Deshalb sind sich der Toningenieur und der Pianist nicht immer einig darüber, was am besten klingt.

Das Fernfeld ist der Ort, an dem sich andere Zuhörer befinden. Hier ist die Raumakustik Teil des Klangerlebnisses. Wie bei vielen akustischen Instrumenten, vor allem in der klassischen Musik, sorgen das Instrument und der Raum zusammen für das volle Klangerlebnis. Der Schall wird in viele Richtungen abgestrahlt und im Raum „zusammengesetzt”. Dann geht es darum, die Balance zwischen Instrument und Raum zu finden..

Zusammenfassung: Behalte die Perspektive des Zuhörers im Blick.

Was soll man aufnehmen und was nicht? 

Normalerweise wollen wir den ganzen Frequenzbereich und den ganzen Dynamikbereich des Instruments einfangen. Vielleicht wollen wir auch die wahrgenommene Größe des Instruments einfangen, alles, was am Klavier so „großartig“ ist.

Wir wollen nicht die sekundären mechanischen Geräusche des Klaviers aufnehmen, wie zum Beispiel das Betätigen der Pedale, die Bewegung der Hammerbretter usw. Mechanische Vibrationen vom Rahmen und Gehäuse sollten in den aufgenommenen Tracks auch vermieden werden.

Außerdem wollen wir vermeiden, dass der Klang anderer Instrumente oder anderer Quellen in der Nähe des Klaviers mit aufgenommen wird.

Zusammenfassung: Stelle sicher, dass die mechanischen Geräusche des Instruments nicht von den Mikrofonen aufgenommen werden.

Was für eine Art von Schallquelle ist das Klavier? 

Das Schallfeld um das Klavier herum ist ziemlich komplex. Deshalb machen wir uns bei der Aufnahme oder Verstärkung des Instruments so viele Gedanken über die Auswahl und Platzierung der Mikrofone und andere Sachen.

Im Fernfeld (mehr als 5 Meter entfernt) kann man das Klavier normalerweise als Punktquelle sehen. Das heißt, der Schalldruckpegel wird mit jeder Verdopplung der Entfernung um 6 dB reduziert (wenn man keinen Nachhall berücksichtigt) .

In der Nähe einer einzelnen Saite kann es als Linienquelle betrachtet werden (der Pegel sinkt um 3 dB bei jeder Verdopplung der Entfernung). Da jedoch normalerweise mehr als eine Saite gespielt wird, nähert sich das Schallfeld über dem Resonanzboden dem einer ebenen Quelle an, die im Idealfall einen konstanten Schalldruckpegel liefert. Da es sich nicht um eine Punktquelle handelt, gibt es auch (fast) keinen Nahbesprechungseffekt bei Gradientenmikrofonen (Nierenmikrofonen).

Hier sind einige Messungen, die mit unserem Zehn-Mikrofon-Array in vertikaler Position über dem Resonanzboden, zentriert über der Mitte des Rahmens (mittleres C) und ohne Deckel auf dem Klavier durchgeführt wurden. Die niedrigste Mikrofonposition ist 10 cm über den Saiten

Abbildung 1. Die rote durchgezogene Kurve zeigt, wie der Schalldruckpegel in einer Höhe von 10 cm bis 100 cm über den Saiten abnimmt, als wäre er der Durchschnitt einer Linien- und einer Flächenquelle. Die Messung wurde ohne Deckel gemacht. Die gestrichelten Linien zeigen die theoretische Dämpfung von Punkt-, Linien- und Flächenquellen. (Das Foto wurde durch eine Zeichnung ersetzt.)

Zusammenfassung: Der Schalldruckpegel ist im Vergleich zu vielen anderen Instrumenten um das Instrument herum ziemlich konstant. Außerdem kann man je nach Geschmack zwischen Kugel- und Nierenmikrofonen wählen. Es gibt fast keinen Nahbesprechungseffekt.

Verhalten der Saite  

Die Grundfrequenz der Saite hängt von den physikalischen Abmessungen, der Spannung, der Steifigkeit und der Masse der Saite ab. Außerdem wird die Klangfarbe bis zu einem gewissen Grad davon beeinflusst, wo und wie die Saite angeschlagen wird, zumindest während des Anfangsabschnitts des Tons. Beim Klavier haben die Hämmer eine feste Position in Längsrichtung der Saite. (Bei einer Gitarre kann die Saite an verschiedenen Stellen entlang ihrer Länge angeschlagen werden, was ihr Klangverhalten verändern kann.)

Wenn wir diese physikalischen Parameter berücksichtigen, sehen wir, dass Erfahrung, Hörvermögen, Tradition und Handwerkskunst im Klavierbau zu einem Instrument geführt haben, bei dem tiefe Töne von einer oder zwei langen, dicken, umwickelten Saiten und hohe Töne von drei kürzeren, dünneren Saiten erzeugt werden. Diese Unterscheidung sorgt für Gleichmäßigkeit und Kohärenz über den gesamten Frequenzbereich.

Im Prinzip hat die Länge einer Saite also keinen direkten Einfluss auf die erzeugte Frequenz, anders als zum Beispiel bei einer Pfeifenorgel. Im Prinzip kann eine Saite gleicher Länge die gesamte Tonleiter erzeugen.

Die Saite ist zwischen zwei Punkten gespannt. Wenn der Hammer auf die Saite schlägt, läuft ein Impuls entlang der Saite. Nach kurzer Zeit entstehen aber stehende Wellen. Diese Wellen (wie stehende Wellen in Räumen) haben Wellenlängen, die Bruchteile der Saitenlänge sind. Außerdem vibriert die Saite sowohl vertikal als auch horizontal (Transversalschwingungen), wodurch sie sich drehend bewegt. Diese Bewegungen haben leicht unterschiedliche Frequenzen. Die physikalischen Eigenschaften der Saite können also zu unharmonischen Teilschwingungen (Obertönen) führen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Saite dicker und damit steifer wird.

Es muss erwähnt werden, dass Klaviere, um dem Gehör zu gefallen, bei höheren Frequenzen „gestreckt” werden müssen, um die Kompression der Tonleiter durch das Gehör auszugleichen. Das bedeutet, dass die höchsten Frequenzen etwas höher gestimmt sind, als es die mathematisch berechnete Tonleiter erfordern würde.

Zusammenfassung: Es sind immer unharmonische Obertöne vorhanden, die Teil der Klangeigenschaften des Klaviers sind.

SPL im Verhältnis zur Position entlang der Saite

Der Schalldruckpegel (SPL) entlang einer Saite kann je nach Wellenform und Schwingungsart der Saite variieren. Hier ist eine Messung entlang einer einzelnen Saite (A1) von 10 cm über dem Hammer und mit einem Abstand von 10 cm entlang der Saite bis zu 90 cm von der Position des Hammers.

Abbildung 2. Messung des Schalldruckpegels (SPL) entlang einer einzelnen Saite (A1 = 55 Hz). Die Mikrofonanordnung besteht aus 10 Elementen im Abstand von 10 cm. 0 cm entspricht der Position direkt über dem Hammer. Die Saite wurde mit einer Kraft angeschlagen, die jeweils den Lautstärken piano, mezzo forte und fortissimo entspricht.

Zusammenfassung: Die Messung zeigt, dass der Pegelunterschied entlang der Saite etwa 2–3 dB beträgt. Sie zeigt auch, dass der Unterschied zwischen p (piano) und mf (mezzo forte) etwa 6 dB beträgt, ebenso wie der Unterschied zwischen mf und ff (forte fortissimo), ebenfalls etwa 6 dB.

Korrelation im Verhältnis zur Position entlang derselben Saite(n)

Wenn Du Audio für ein immersives, raumfüllendes Klangerlebnis aufnimmst, suchst Du nach einer passenden Korrelation zwischen den Kanälen. Ist diese zu hoch, klingt es wie bei der Wiedergabe von Monosignalen: Der nächstgelegene Lautsprecher bestimmt die Richtungswahrnehmung, die anderen sind nicht zu hören und es entsteht kein Raumklang. Ist die Korrelation zu niedrig, klingt es wie unabhängige, separate Klangquellen.

Beim Abnehmen eines Klaviers ist es üblich, zwei Mikrofone über den Saiten zu platzieren, eines vor allem für den Bassbereich und das andere für die höheren Frequenzen, um ein gutes Stereobild zu bekommen. Beim Klavier gibt's noch mindestens eine weitere Dimension zu berücksichtigen: vorne/hinten. Tatsächlich kann man zwei Stereomikrofonsätze gleichzeitig verwenden, d. h. einen Satz direkt über den Hämmern und einen weiteren weiter hinten an den Saiten.

In der oben erwähnten Pegelaufnahme, die mit 10 Mikrofonen entlang der Saite gemacht wurde, wird dieselbe Aufnahme verwendet, um eine immersive Klavieraufnahme zu demonstrieren.

Die Korrelation zwischen den Positionen wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. In allen Fällen ist das Mikrofon 00, das über dem Hammer platziert ist, die Referenz (Kanal 1), und der andere Kanal (2) enthält die Signale von Mikrofon 10 bis 90 nacheinander.
 

Tabelle 1. Zusammenhang zwischen verschiedenen Positionen über derselben Saite (A1). Mehr Infos zum Zusammenhang findest Du im Infokasten am Ende dieses Artikels.

Abbildung 3. Das sind die Maße der gemessenen Saite (A1), die Position des Hammers und die Positionen aller Mikrofone.

Höre Dir die zunehmende Klangfülle an, die durch die Aufnahme derselben Saite in zwei Positionen entsteht.

Zusammenfassung: Es lohnt sich, mit mehreren Mikrofonen im Inneren des Klaviers zu experimentieren. So kannst Du einen raumfüllenden Klang innerhalb desselben Musikinstruments erzeugen.

Das Schallfeld fokussieren 

Wenn Du die Position des Deckels änderst, kann sich die Klangfeldprojektion des Klaviers verändern.

Wir haben einen Test gemacht, bei dem das Array senkrecht über der Mitte des Resonanzbodens platziert wurde (wie in Abbildung 1). Diese Aufnahme wurde als Referenz für Positionen außerhalb des Klaviers verwendet, genauer gesagt 60 cm vom Bogen senkrecht zur Öffnung des Deckels.

Das unterste Mikrofon (Mic 00) war bei allen Messungen 10 cm über den Saiten positioniert. (Siehe Abbildung 4):

Abbildung 4. Das Array ist vor dem Klavier, 60 cm vom Bogen entfernt, aufgestellt.

Die Stocklängen betrugen 12 cm (klein), 28 cm (mittel) und 80 cm (lang).

Die folgenden Frequenzspektren zeigen ein paar Ergebnisse dieses Experiments. Der Schalldruckpegel jeder Messung ist ebenfalls angegeben. 

SPL, Mic 90 

Über den Saiten, kein Deckel:   89 dB
60 cm vom Bogen, kein Deckel:   86 dB
60 cm vom Bogen, kurzer Stock:   80 dB
60 cm vom Bogen, mittlerer Stock:   79 dB
60 cm vom Bogen, langer Stock:   78 dB

SPL, Mic 40 

Über den Saiten, kein Deckel:   90 dB
60 cm vom Bogen, kein Deckel:    87 dB
60 cm vom Bogen, kurzer Stock:    82 dB
60 cm vom Bogen, mittlerer Stock:    82 dB
60 cm vom Bogen, langer Stock:   81 dB

SPL, Mic 00 

Über den Saiten, kein Deckel:   95 dB
60 cm vom Bogen, kein Deckel:   87 dB
60 cm vom Bogen, kurzer Stock:   81 dB
60 cm vom Bogen, mittlerer Stock:    81 dB
60 cm vom Bogen, langer Stock:    81 dB

Abbildung 5. Ausgewählte Ergebnisse der Messungen (1/3-Oktav-Spektren).

Zusammenfassung: Zuerst einmal basieren diese Messungen auf einer 1/3-Oktav-Analyse, die normalerweise ein guter Indikator für die Klangfarbe eines vollständigen Spektrums ist. Die Filter sind jedoch zu breit, um einzelne Teiltöne darzustellen.

Es scheint, dass eine Position etwa 50 cm über den Saiten (Mikrofon 40) das ausgewogenste Spektrum, eine bessere Tieftonwiedergabe und einen etwas höheren Schalldruckpegel liefert.

Die Klangfarbe an der Mikrofonposition 1 Meter über den Saiten, 60 cm vom Steg entfernt (Mikrofon 90), zeigt jedoch etwas mehr Präsenz als an anderen Positionen.

Wenn das Mikrofon zu tief hängt, kann der Schallschatten des Klavierrahmens den Klang ein bisschen beeinflussen.

Die Abweichung des Schalldruckpegels in Abhängigkeit von der Länge des Stockes scheint geringer zu sein, als man erwarten würde. Beim Anhören der Aufnahmen können einzelne Reflexionen vom Deckel zu Kammfiltereffekten führen. Aufgrund der „breiten” Schallquelle ist dieser Effekt jedoch kaum wahrnehmbar.

Abbildung 6: Vergleich der Schalldruckpegel von drei Mikrofonen im Array. Das zeigt, dass selbst mit einem langen Stock der Pegel bei Mikrofon 40 (50 cm über der Ebene der Saiten) am höchsten ist.

Innerhalb/außerhalb des Pianos 

Wenn man Mikrofone in oder um ein Klavier herum aufstellt, können sie Geräusche von anderen Quellen aufnehmen. Das sollte man vor allem vermeiden, wenn man Mikrofone benutzt, um das Instrument zu verstärken.

Wir haben Messungen gemacht, um die Rolle des Deckels zu verstehen. Normalerweise schließt man den Deckel, wenn das Klavier verstärkt wird. Manchmal scheint das aber nicht den gewünschten Effekt zu haben.

Deshalb haben wir unsere Mikrofone über den Saiten aufgestellt. (Hier wird nur die Position des Hammers angegeben).

Eine externe Quelle, ein PA-Lautsprecher, wurde in Richtung der Deckelöffnung aufgestellt. Das Lautsprechersignal war rosa Rauschen. (Siehe Abbildung 4). Das Ergebnis ist ein Durchschnitt aller 10 Mikrofone. 

Abbildung 7. Einrichtung für die Aufnahme einer externen Tonquelle (ein PA-Lautsprecher).

Abbildung 8. Das ist der Unterschied zwischen den Deckelpositionen. Die drei Kurven zeigen den Unterschied zwischen den im Inneren des Klaviers gemessenen Schallpegeln:

Blaue Kurve: Kurzer Stock (SS) vs. geschlossener Deckel (CL). Bei geschlossenem Deckel gibt's eine Verstärkung im niedrigen Frequenzbereich. Oberhalb von 200 Hz wird der externe Schall gedämpft.

Orange Kurve: Langer Stock (LS) vs. geschlossener Deckel (CL). Bei geschlossenem Deckel gibt's eine Verstärkung im niedrigen Frequenzbereich. Oberhalb von 200 Hz wird der externe Klang gedämpft.

Grüne Kurve: Kein Deckel (NL) vs. geschlossener Deckel (CL). Die Dämpfung im niedrigen Frequenzbereich ist nur deshalb vorhanden, weil der Pegel bei geöffnetem Deckel höher ist.

Zusammenfassung: Wenn Du den Deckel schließt, werden nur Geräusche über 200 Hz gedämpft. Bei niedrigen Frequenzen kann es leider zu einer Verstärkung von etwa 5 dB kommen!

Infobox 1: 

Wie wir die Analyse durchgeführt haben

Wir haben ein gradliniges Mikrofonarray mit 10 Omnidirektionalmikrofonen (4060 CORE+) entwickelt, die auf einem schlanken Stab mit einem Abstand von 10 cm zwischen den Mikrofonen angeordnet sind. Für alle Mikrofone wurde der Phantom-Adapter (DAD9001) verwendet.

Die Mikrofone wurden an einen Digital Audio Denmark-Wandler angeschlossen und in ProTools (32 Bit, 96 kHz) aufgenommen.

Die Mikrofone wurden mit einem akustischen Kalibrator (B&K 4230) kalibriert.

Die Spektren wurden mit Smaart Suite und EASERA analysiert.

Die Spektren der Tastenanschläge (einzeln oder über die gesamte Tastatur) wurden mit unendlicher Mittelwertbildung (>2 Minuten pro Sequenz, in Schleife) analysiert und die Ergebnisse zur Darstellung in eine Tabellenkalkulation übertragen.

Gegenstand der Messungen war ein Kawai-Klavier.

Infobox 2:

Über Korrelation

Bei Audio messen wir, wie sehr die beiden Kanäle eines Stereosignals miteinander korrelieren. Die meisten DAWs haben dafür einen Korrelationsmesser, der manchmal auch Phasenmesser genannt wird. Technisch gesehen ist das der Kosinus des Phasenwinkels zwischen den Kanälen. Der Wert kann also zwischen -1 und +1 liegen. Wenn die Kanäle komplett phasenverschoben sind, zeigt der Messwert „-1“ an. Wenn die Kanäle komplett in Phase sind, zeigt der Messwert „+1“ an.

Bei der immersiven Produktion ist es gut, wenn die Kanäle nicht komplett korrelieren (sonst hört man nur den nächsten Lautsprecher). Normalerweise sollte der Korrelationskoeffizient zwischen den Kanälen bei etwa 0,2 liegen. Es gibt einen Zeitfaktor für die Mittelwertbildung der Signale und die Stabilisierung des Messwerts. Diese Mittelwertbildung liefert aber auch den Gesamtkorrelationswert. 

Ref: Brixen, Eddy B.: Audio Metering, 3rd edition, Routledge.