Frisbee Stereo Jelle van der Voet De oplossing voor een betere stereoweergave. Kunsthoofd sound-a-like, natuurgetrouwe stereo opname of gewoon een leuke knutselprojectje. Allemaal termen die te plaatsen zijn op de schijf van Jecklin, beter bekend als: the Jecklin-Disk. De Jecklin-disk is een rond akoestisch tussenschot dat tussen een AB-opstelling van twee rondomgevoelige microfoons wordt geplaatst. Door dit tussenschot ontstaat er een akoestische schaduw, wat zou moeten resulteren in een natuurgetrouwe stereoweergave. De grote vraag is, heeft het echt zin, om zo'n "schijf" tussen je microfoons te plaatsen en wat is het precieze impact hiervan. De Jecklin-disk Het principe van een opname met een akoestisch tussenschot is al vanaf de jaren dertig bekend. Onlangs werd dit met succes toegepast door de Zwiterse geluidstechnicus: Jürg Jecklin. De Jecklin-disk bestaat uit een ronde plaat (kunststof / MDF) van 8 mm dik met een diameter van 300 mm. Op deze disk is aan beide kanten geluidsabsorberend materiaal gemonteerd met een dikte van 8 mm. Op de latere modellen van deze disk is het geluidsabsorberend materiaal opgehoogd naar 25,4 mm dikte, dit was nodig omdat de akoestische scheiding niet voldoende was. Aan beide kanten van de disk worden twee rondomgevoelige microfoons bevestigd op oorafstand van elkaar (17 cm) met de kapsels in het midden van de disk. Bij de Jecklin-disk zijn twee rondomgevoelige microfoons gescheiden door een geluidsabsorberende schijf. Dit is een totaal andere aanpak dan bij een kunsthoofd opstelling, waar het geluid onder andere wordt gereflecteerd door het harde bolvormige oppervlak. Bij deze opstelling worden de factoren, die het geluid bij een menselijk hoofd beïnvloeden, nagebootst. Deze wordt Head Related Transfer Functions (HRTF) genoemd. Eigenlijk wil men bij een kunsthoofd opname de impuls responsie van het menselijk oor nabootsen, ook wel Head Related Impulse Respons (HRIR) genoemd. Het menselijk waarnemen Om het idee achter de Jeckin-Disk te begrijpen, moeten we eerst het een en ander over onze eigen manier van horen komen te weten. Geluid neemt de mens waar doormiddel van zijn oren. De oren zijn gescheiden van elkaar door het hoofd en hebben een onderlinge afstand van zo'n 17 á 18 cm. Het hoofd heeft een akoestische werking op het geluid dat bij de oren arriveert. Mede door deze filterwerking, looptijd -en intensiteiten verschillen tussen beide kan de geluidsbron worden gelokaliseerd in het horizontale vlak. Onder looptijd verstaan we het verschil in tijd dat tussen waarneming van het linker en rechter oor zit. Dit wordt ook wel ITD (Interaural Time Difference) genoemd.
We hebben een maximale ITD als de geluidsbron 90° graden off-axis binnenkomt. Dit resulteert in een looptijd verschil van:
0.09m ! ("/2 + sin("/2)) ITD = -------------------------------344 ms-1
=
6.73 ! 10^-4 s
=
673µs
Hierboven is het geheel in een grafiek weergeven met een invalshoek van 0° tot 180 ° en de vertraging (time difference) in msec . Door deze kleine delay-verschillen, kan de mens de richting lokaliseren van het laag frequente geluid. Als de geluidsfrequentie te laag wordt en dus de looptijdverschillen van de golfvorm minimaal wordt, kan er geen faseverschil meer waargenomen worden en is de lokalisatiemogelijkheid weg. Er wordt beweerd dat de mens onder de 120 / 150 Hz geluid niet meer kan lokaliseren. Het hoofd vormt voor laag frequentie geluid geen obstakel en hierdoor treedt de akoestische schaduw van het hoofd niet inwerking op deze frequenties, er kan dan geen intensiteit en of klankverschillen worden waargenomen. ITD is het enige waar we op kunnen lokaliseren bij lage frequenties. Het menselijk gehoor kan echter maar tot een bepaald frequentiegebied het geluid door middel van looptijd lokaliseren.
freq max (# = "/2)
1 =----------------------------------- = 743 Hz 2 ! 0.09 m ! ("/2 + sin("/2))
Voor 90° graden is 743 Hz de maximale frequentie die we nog door middel van looptijd verschillen kunnen lokaliseren. Boven deze frequentie schakelen we over naar een IID lokalisering (Interaural Intensity Difference). Dit intensiteitsverschil wordt veroorzaakt door de akoestische schaduw van ons hoofd. De akoestische schaduw Als een object groot is ten opzichte van de golflengte van het geluid, dan wordt het geluid erdoor gereflecteerd. Als het object klein is ten opzichte van de golflengte dan gaat het geluid er gewoon "doorheen". Een geluidsgolf kan niet meer door een object heen als deze 2/3 (2/3 !) beslaat van de golflengte. Een octaaf onder deze frequentie begint al hinder te ondervinden van het object. Dus op 1/3 (1/3 !) van de golflengte. Intensiteit kan pas worden waargenomen, vanaf het punt wanneer diameter van het hoofd 1/3 van de golflengte beslaat.
1 344 ms-1 freq min (# = "/2) = --- ! ---------------3 0.18m
=
637 Hz
Voor het lokaliseren van geluid onder de 743 Hz lokaliseren we op looptijdverschillen. Geluid boven de 743 Hz lokaliseren we door middel van intensiteitsverschillen. Dit verloopt echter in dit cross-over gebied niet zo soepel. In werkelijkheid bevind het cross-over gebied zich tussen de 700 Hz en vier keer deze frequentie, 2800 Hz. In dit gebied is onze lokalisering niet zo scherp als bij andere frequenties. Looptijdverschillen en intensiteitsverschillen nemen we bij elke frequentie waar. Maar in het crossover gebied zijn we hier minder goed in. Omdat de verschillen klein zijn tussen ITD en IDD lokalisering, moeten onze hersenen gaan bepalen waar we op gaan lokaliseren. Dit staat bekend als delay- versus intensiteitseffect. Een delay-verschil kan gecompenseerd worden door een bepaald intensiteitsverschil. De Jecklin-disk ontleed Nu kan er berekend worden, waar de akoestische schaduw van de Jecklin-disk begint. Bij de berekeningen wordt er uitgegaan van de maximale absorptie van de disk. Bereken van de golflengte:
!=v/f
! = golflengte(m) v = snelheid van geluid in m/s f = frequentie in Hz
Jecklin-disk Jecklin-disk
f=v /$ f=v /$
f = 344m/s / 0,3 m f = 344m/s / 0,45m
! 2/3 $
f= 1147 Hz f= 764 Hz
Zoals hierboven te zien is, zal de Jecklin-disk zonder de 2/3 $ regel al het geluid wat 90° graden off-axis binnenkomt vanaf 1147 Hz niet mogen door laten naar de andere microfoon. Met de 2/3 $ regel wordt dit punt verlaagd is naar 764 Hz. Dit is punt is juist gekozen, omdat ons lokalisatievermogen ophoudt bij 743 Hz. We kunnen dus zien dat de ITD en IDD factoren van de Jecklin-disk nauwkeurig overéén komen met die van het menselijk waarnemen. Bij een normale AB-opstelling kunnen we alleen maar lokaliseren op ITD verschillen, hierdoor missen we een factor waaraan we gewend zijn bij het "natuurlijke" lokaliseren van een bron. De Jecklin-disk geeft, in tegenstelling tot een AB opstelling wel IID en spectrale kleuring.
paars = Jecklin disk theorie groen = Jecklin disk 2/3 ! De akoestische schaduw verschilt per hoek van inval van het geluid.
Van voor naar achter, naar links naar rechts Door de pinna (oorschelp) kunnen we lokaliseren of het geluid van boven of onder en van voor of achter komt. Dit heeft te maken met de vorm van de pinna. Je kan de pinna zien als een soort van akoestische antenne. Door de vorm resoneert en versterkt het bepaalde frequenties. We nemen telkens twee signaalstromingen waar (per oor), één bevat het directe signaal en de ander het door de pinna gereflecteerde en dus gedelayde signaal. Het gedelayde signaal verschilt door de hoek van inval over het verticale vlak. Door de optelling van beide geluidsstromingen zullen bepaalde frequenties worden versterkt en andere worden verzwakt door de fase informatie die in de signalen zit. Hierdoor ontstaat er een dip (notch) in het frequentiespectrum, deze wordt "pinna notch" genoemd. De pinna notch beweegt zicht is het gebied tussen de 6 en 16 kHz.
de pinna notch Aan de hand van de pinna notch, die afhankelijk is van de hoek van inval over het verticale vlak en de frequentie, kan men lokaliseren waar het geluid in het verticale vlak vandaan komt. Dit is geen vast gegeven omdat de oorschelp per mens verschilt qua vorm. Deze vorm van lokalisatie moest worden ontwikkeld, wat op zeer jonge leeftijd onbewust heeft plaats gevonden. De HRTF (Head Related Transfer Functions) die we bij een kunsthoofd simuleren, treffen we bij de Jecklin-disk niet aan. We hebben echter wel te maken met looptijd verschillen, frequentie afhankelijke intensiteitsverschillen en kleuringsverschillen tussen de microfoons. De HRTF zijn echter hier niet van toepassing. De Jecklin-disk heeft een akoestische schaduw, welke door de disk wordt veroorzaakt. Deze akoestische schaduw hangt af van de frequentie en hoek van inval van het geluid.
Opnames gemaakt met een Jecklin-disk zijn goed weer te geven met een stereo-speakeropstelling, dit in tegenstelling tot kunsthoofdopnames, die het best tot hun recht komen via afluistering op een koptelefoon. Als een kunsthoofdopname over speakers wordt weergegeven, ontvangt het linkeroor het geluid uit de linkerspeaker, maar ook het rechteroor vangt het signaal op wat uit de linkerspeaker komt. Deze overspraak (cross-talk) krijgen we niet tijdens het afluisteren via een koptelefoon. Het signaal is opgenomen met HRTF en moet worden afgeluisterd zonder invloed van de HRTF en overspraak. Bij weergave van een kunsthoofd opname op speakers tellen we onze eigen HRTF er nog eens bij op. Hierdoor én het feit dat we met één oor beide speakers waarnemen komt een kunsthoofd opname niet tot zijn recht via speaker weergave. Mijn bevindingen. Voor dit onderzoek zijn er twee Jecklin-disks vervaardigd. Één bestaat uit een kern van de geven 8 mm MDF en aan iedere zijde een stukje geluidsabsorberende stoelkussen van 10 mm dik. Daar weer een badkamerkleed overheen gespannen als vervanger van de gewenste schapenvacht wat wordt aangeraden om er overheen te spannen. De tweede Jecklin-disk, op aanraden van Eelco Grimm, is vervaardigd uit twee stukken akoestisch noppenschuim aangeschaft in een doe-het-zelfzaak. Deze zijn op elkaar geplakt zonder houten tussenschot. Op deze manier omzeilen we de reflectie van de niet geabsorbeerde frequenties door mijn badkamerkleed en stoelkussen, aldus Eelco Grimm. Volgens Eelco's zeggen moet dit een hogere absorptiewaarde hebben. Hierdoor hebben we een hogere $ en dus een betere absorptie, dan wanneer er een houten plank geplaatst wordt, die zeer waarschijnlijk voor reflecties zal gaan zorgen. Natuurlijk verschilt de absorptiefactor per materiaal en per hoek van inval van de golfvorm. Beide Jecklin-disks zijn getest in de reflectie doderuimte van de HKU faculteit Kunst Media en Technologie, te Hilversum. Voor deze test zijn twee Schoeps MK2H CMC6- U rondom gevoelige microfoons gebruikt. Verschillende proeven zijn op de Jecklin-disk losgelaten in de doderuimte en vervolgens ook op een normale AB- opstelling van 17 cm. Hierdoor kon er goed worden beoordeeld wat het precieze effect is van de Jecklin-disk. Als eerste is er een gradenboog uitgestippeld en vervolgens al pratend en klappend de gradenboog afgelopen. Er werd er telkens genoteerd op welke positie de persoon zich bevond en vervolgens gekeken of dat het de stereoplaatsing bevordert. Bij het beoordelen van deze test met een normale AB en een Jecklin-disk opstelling werd er nauwelijks verschil waargenomen. Bij de Jecklin-disk werd wel geconstateerd dat de plaatsing nauwkeuriger was en dat het een duidelijkere plek in de speaker had als de persoon er 90° graden naast stond. Test nummer twee: tertsbanden ruis uitgestuurd via de linker speaker. De uitkomst van deze test is verwerkt in een grafiek hier onder. Hier is goed te zien dat na een bepaald frequentie gebied (rond de 600 á 700 Hz), intensiteitsverschillen tussen de linker- en rechtermicrofoon steeds groter worden. Deze intensiteit verschillen worden veroorzaakt door de akoestische schaduw van de Jecklin-disk. Houd er echter wel rekening mee dat de tertsbanden zijn opgenomen vanuit een hoek onder 30° graden.
dBFS
Jecklin Disk -35 -36 -37 -38 -39 -40 -41 -42 -43 -44 -45 -46 -47 -48 -49 -50 -51 -52 -53 -54 -55
AB
AB
DL
DR
AL
AR
25
40 31.5
63 50
100 80
160 250 400 630 1000 1600 2500 4000 6400 1000 125 200 316 500 800 1250 2000 3200 5000 8000
Hz Groen = AB L Rood = Jecklin 1 R
Paars = AB R Blauw = Jecklin 2 L
Geel = Jecklin 1 L Bruin = Jecklin 2 R
In de grafiek is een verschil te zien tussen de Jecklin-disk met tussenschot (Jecklin-disk 1) en met akoestisch noppenschuim (Jecklin-disk 2). De Jecklin-disk met tussenschot treedt de filterwerking iets eerder en heviger in werking. Wat opvalt is dat beide disks een reflectie hebben rond de 600 Hz. Deze reflectie is bij de Jecklin-disk met een tussenschot wat heviger. Klankmatig valt het verschil niet te op. De rest van de tests wordt gedaan met de Jecklin-disk vervaardigd uit akoestisch noppenschuim, met een ijzerdraad er aan bevestigd als ophangmechanisme. Door het geringe gewicht en makkelijke ophangmethode krijgt deze de voorkeur.
Hoe de Jecklin-disk theoretisch in elkaar zit, is eerder in dit artikel besproken. Maar hoe het in de praktijk uitpakt, is lastig op papier uit te rekenen. Er is een testopname gemaakt in de grote zaal van De Doelen, te Rotterdam. Bij deze test zijn er twee opstellingen naast elkaar vergeleken en zijn bij beide opstellingen dezelfde microfoons gebruikt. Namelijk een AB-opstelling en de Jecklin-disk. De twee rondom gevoelige microfoons van de AB-opstelling staan net als bij de Jecklin-disk, 17 cm uit elkaar. Op deze manier kan er "eerlijk" geluisterd worden wat het precieze effect is van de Jecklin-disk. Op het statief van de Jecklin disk is 30 cm onder de Jecklin disk een T-stuk met de AB-opstelling opgehangen. Hierdoor is de afstand zo klein mogelijk gehouden tussen de twee opname technieken en zitten ze elkaar niet in de weg. Verder zijn er ook 4 identieke microfoons gebruikt voor de test, namelijk Schoeps MK2H + CMC6-U. Om de optimale opnameplek in de zaal te vinden, kwam de opstelling dichtbij het podium te staan. Aangezien het orkest erg groot was en het podium druk bevolkt was, resulteerde dit in een opnamehoek van circa 160° graden. De AB en de Jecklin-disk opname zijn gelijkertijd opgenomen, waardoor eenvoudig de verschillen tussen deze twee zijn te benoemen. Allereerst is naar de normale AB-opstelling geluisterd. Een mooi klankbeeld, maar qua plaatsing wordt dit toch een beetje een rommeltje in het midden gebied. Zeker als dit vergeleken wordt met hoe het zou moeten klinken in de concertzaal. Dit heeft te maken met de 17 cm dat de rondomgevoelige microfoons bij elkaar vandaan staan, er wordt een minimaal stereobeeld gevormd. Verder werd er een muf midden frequentie gebied waargenomen door verschillende mensen. Het orkest leek een beetje op elkaar gegooid waardoor de verschillende instrumenten secties niet meer goed te onderscheiden waren. Vervolgens werd er geluisterd naar hetzelfde muziekfragment, maar dan opgenomen door middel van de Jecklin-disk opstelling. Wat als eerste opviel bij de beoordelaars was het stereobeeld. Er zit een ontzettend groot verschil tussen de plaatsing van de secties uit het orkest. Bij de Jecklin-disk opname plaatsen we de eerste violen met volle overtuiging links. Cello 's zitten rechts, hoorns links achter enzovoorts. Door deze scheiding is het orkest veel beter te volgen en te herkennen, er ontstaat er een mooi en gedetailleerd klankbeeld. Voornamelijk de hoge registers worden duidelijk gescheiden door de Jecklin-disk. Ook het muffe midden gebied is verdwenen, wat bij de ABopstelling juist werd aangetroffen. Door de filterwerking van de Jecklin-disk dreigt er soms een "gat" te ontstaan in het stereobeeld. Of dat dit door de Jecklin-disk veroorzaakt wordt, is na één opname niet met zekerheid te zeggen. Dit komt wellicht door de grote opname hoek van het orkest. Bij weergave over speakers klopt het wel bij het reële beeld van de zaal en de opname. Conclusie. Bij een grote opnamehoek kan er bij sommige passages een gat ontstaan in het stereobeeld. Er is ook geprobeerd om dit op te vullen met een M microfoon en deze in het midden erbij te mixen. Het gat wordt wel opgevuld maar de hele impact van de Jecklin disk opname is gelijk verdwenen. Wat wel een oplossing zal zijn voor het probleem met een grote opnamehoek. Maar echter nog onderzocht moet worden. Is de Jecklin disk in diameter te verkleinen. Hierdoor wordt de werking van de akoestische schaduw in frequentie hoger gelegd en zal de scheiding en dus de plaatsing
minder worden. Het andere alternatief, om de microfoons verder uit elkaar te zetten is geen optie. Hierdoor zullen de microfoon als lossen bronnen worden geschouwd en zal het stereobeeld helemaal uit elkaar vallen. Om de microfoons meer naar elkaar toe plaatsen, bijvoorbeeld 15 cm. Zal ook niet het gewenste effect opleveren in deze situatie. De looptijd verschillen zijn dan kleiner. Waardoor het stereobeeld iets minder breed zal zijn, maar de intensiteit verschillen blijven. En zal hier nog steeds op gelokaliseerd word. Voor popmuziek opnames heeft het niet de gewenste impact. Tenzij er een heel drumstel moet worden opgenomen met twee microfoons dan zal de Jecklin disk de de cymbals en overig "ijzer" mooi scheiden. Bij surround opnames zal de Jecklin disk goed functioneren als microfoonopstelling voor de surroundkanalen. Met name door zijn scheiding en het filteren van de hoge frequenties zal dit bijdragen aan een rustig beeld in de surroundkanalen. De Jecklin disk heeft zijn meerwaarde bewezen. Voor klassieke opnames voegt het zeer zeker wat toe aan de impact. Er is een groot verschil in lokaliseren van de instrumenten secties en het levert een open klankbeeld op. Wat resulteert in een natuur getrouwere stereoweergave omdat het de manier van lokaliseren benadert zoals de mens dat ervaart.
Literatuur verwijzing Görne, Thomas. 1994 Microfoons in theorie en pratijk Beek: Elektuur B.V. Grimm, Eelco. 2001 Check point audio Buren: Contekst Publishers BV Howard, David M. 1996 Acoustics and Psychoacoustics Oxford: Focal Press http://interface.cipic.ucdavis.edu/CIL_tutorial/3D_psych/elev.htm#anchor78529
Jelle van der Voet 16-05-2007 Rotterdam
