Binaurale Aufnahme

Binaurale Aufnahmen sind eine Methode der Tonaufnahme , bei der zwei Mikrofone so angeordnet sind, dass sie ein dreidimensionales Stereo- Klangerlebnis erzeugen, das dem Zuhörer das Gefühl vermittelt, sich im selben Raum wie die Musiker oder Instrumente zu befinden. Dieser Effekt wird häufig mit der sogenannten Kunstkopfaufnahme erzielt, bei der ein Puppenkopf mit je einem Mikrofon in jedem Ohr ausgestattet wird. Binaurale Aufnahmen sind für die Wiedergabe über Kopfhörer konzipiert und lassen sich über Stereolautsprecher nicht optimal wiedergeben. Die Idee eines dreidimensionalen oder „inneren“ Klangs hat auch zu nützlichen technologischen Fortschritten in vielen Bereichen geführt, beispielsweise bei Stethoskopen, die eine „Kopfakustik“ erzeugen, und bei IMAX-Filmen, die ein dreidimensionales Klangerlebnis ermöglichen.

Der Begriff „binaural“ wurde häufig fälschlicherweise als Synonym für „ Stereo “ verwendet, was unter anderem auf die systematische Verwendung als Marketingbegriff durch die Musikindustrie Mitte der 1950er-Jahre zurückzuführen ist . Herkömmliche Stereoaufnahmen berücksichtigen weder den natürlichen Ohrabstand noch den „ Kopfschatten “, da diese Phänomene beim Hören natürlich auftreten und zu positionsabhängigen interauralen Laufzeitdifferenzen (ITDs) und interauralen Pegeldifferenzen (ILDs) führen.

Die Geschichte der binauralen Aufnahmetechnik reicht bis ins Jahr 1881 zurück. ^{[ 1 ]} Das erste binaurale Gerät, das Théâtrophon , wurde von Clément Ader erfunden . ^{[ 1 ]} Es bestand aus einer Anordnung von paarweise angeordneten Kohlestiftmikrofonen, die entlang der Vorderkante der Opéra Garnier installiert waren. Das Signal wurde über das Telefonsystem an die Abonnenten übertragen , die dazu einen Kopfhörer an jedes Ohr halten mussten.

In den frühen 1930er Jahren wurden mehrere binaurale Hörköpfe entwickelt. Einer davon, genannt „Oscar“, wurde von den Bell Labs hergestellt . Er verwendete 36-mm-Mikrofone (1,4 Zoll), die in die Wangen eines Schaufensterpuppenkopfes eingesetzt waren, und wurde 1933 auf der Weltausstellung in Chicago vorgestellt. Die niederländische Firma Philips entwickelte ebenfalls einen binauralen Hörkopf, bei dem die Mikrofone an den Ohren angebracht waren und der bessere Ergebnisse lieferte. Diese frühen Anpassungen der in Geschäften verwendeten Schaufensterpuppen führten zu der Bezeichnung „Dummy Head“ (Kunstkopf).

Im Laufe des 20. Jahrhunderts führten Fortschritte im Mikrofonbau und das Verständnis der Bedeutung der Anatomie des menschlichen Ohrs für die Schalllokalisation zu Weiterentwicklungen binauraler Hörgeräte. ^{[ 3 ]} Ihr Einsatzgebiet reichte von der akustischen Analyse, beispielsweise zur Aufzeichnung von Wortbewertungen für die Sprachverständlichkeitsmessung, ^{[ 4 ]} über die Entwicklung von Hörgeräten, ^{[ 5 ]} bis hin zur Musikwiedergabe und Hörspielen.

„Demolition“ (1973) war das erste Hörspiel, das mit einem Puppenkopf aufgenommen wurde. ^{[ 6 ]}

1974 veröffentlichte Virgin Records das erste Soloalbum von Edgar Froese, dem Frontmann von Tangerine Dream , mit dem Titel „Aqua“ . Die Liner Notes informieren die Hörer darüber, dass die Titel „NGC 891“ und „Upland“ mit einem von Gunther Brunschen entwickelten binauralen Kopfsystem aufgenommen wurden. Es wurde empfohlen, das Album mit Stereo-Kopfhörern zu hören. Obwohl Edgar dieses System gerne auch für spätere Aufnahmen verwendet hätte, wurde es aufgegeben, da die verbesserte Klangqualität zwar über Kopfhörer gut funktionierte, aber auf einer HiFi-Lautsprecheranlage nicht ausreichend zur Geltung kam.

Im Jahr 1972 brachte Neumann den Binauralkopfhörer KU80 auf den Markt, aus dem schließlich der heute weit verbreitete Binauralkopfhörer KU100 hervorging.

1978 veröffentlichte Lou Reed mit „ Street Hassle“ die erste kommerziell produzierte binaurale Pop-Schallplatte , eine Kombination aus Live- und Studioaufnahmen. ^{[ 7 ]}

Binauraler Klang konnte sich im Musikwiedergabebereich für Endverbraucher nicht durchsetzen, da für qualitativ hochwertige Aufnahmen teure Spezialgeräte benötigt wurden und Kopfhörer für eine optimale Wiedergabe unerlässlich waren. Insbesondere vor der Walkman- Ära empfanden die meisten Konsumenten Kopfhörer als lästig und interessierten sich nur für Aufnahmen, die sie über eine Stereoanlage zu Hause oder im Auto hören konnten. Hinzu kommt, dass die Art der Aufnahmen in der Regel keinen hohen Marktwert hat. Popmusik beinhaltet typischerweise viele elektroakustische Instrumente wie Gitarren und Keyboards, die bei Studioaufnahmen durch binaurale Aufnahmen kaum Vorteile bringen würden. Interessant sind hingegen Live- Orchesteraufführungen und Umgebungsaufnahmen von Stadtgeräuschen, Natur und ähnlichen Themen.

In den 1990er Jahren kamen elektronische Geräte auf den Markt, die mithilfe digitaler Signalverarbeitung (DSP) HRTFs reproduzierten . Mit diesen Geräten konnte der Toningenieur den Eindruck erwecken, ein monophoner Ton sei mit einem binauralen Kopfhörer aufgenommen worden, indem er die wahrgenommene Richtung und Nähe eines Schalls in Echtzeit anpasste. Sie waren zwar ungewöhnlich und teuer, ermöglichten dem Toningenieur aber die schnelle und bequeme Bearbeitung von Spezialeffekten an vorab aufgenommenen Klängen. Softwareversionen dieser Geräte sind heute weit verbreitet. ^{[ 8 ]}

In der Neuzeit ist das Interesse an binauralem Audio wieder gestiegen, was zum Teil auf die vermehrte Nutzung von Kopfhörern, günstigere Aufnahmemethoden und das allgemein gestiegene kommerzielle Interesse an 360°-Audiotechnologie zurückzuführen ist.

Im Jahr 2005 wurde Aqua für eine limitierte Wiederveröffentlichung in Deutschland und Japan neu abgemischt, wobei am Ende der CD ein zusätzlicher Titel namens Upland Dawn angehängt wurde.

Im Jahr 2015 veröffentlichte der singapurische Singer-Songwriter JJ Lin sein experimentelles Debütalbum „ From ME to Myself“ , für das er eine Kunstkopfaufnahme verwendete. Es ist außerdem das erste Album in der Popmusikbranche, das diese Technologie in voller Länge einsetzt. ^{[ 9 ]}

Im Jahr 2015 präsentierte das britische Theaterensemble Complicité „The Encounter“ . Bis zu 850 Zuschauer trugen kabelgebundene Kopfhörer und lauschten einer binauralen Klanglandschaft, die sowohl binaurale Aufnahmen als auch den Ton eines KU100-Binauralkopfes auf der Bühne enthielt, der den Ton des Darstellers übertrug. Die Show tourte weltweit, lief mehrere Monate am Broadway und wurde für ihr Sounddesign mit einem Tony Award ausgezeichnet. ^{[ 10 ]}

Binauraler Klang wird häufig in der virtuellen Realität eingesetzt , um dem Nutzer zu helfen, die Quelle von Objekten außerhalb seines Sichtfelds zu lokalisieren. Er trägt außerdem dazu bei, dass sich der Nutzer durch die Erzeugung einer realistischen Klanglandschaft immersiver fühlt. Typischerweise wird diese Form des binauralen Klangs erzeugt, indem monophone Tonaufnahmen verwendet werden, die in Echtzeit – abhängig von der Blickrichtung des Nutzers – mithilfe eines binauralen Panners (und anderer Prozesse, die Entfernung, Verdeckung und Akustik simulieren) verarbeitet werden. ^{[ 11 ]}

Die Online- ASMR- Community nutzt häufig binaurale Aufnahmen.

Viele der großen Musikstreaming- Dienste bieten mittlerweile „Spatial Audio“-Versionen beliebter Musik an. Diese werden häufig mit Dolby Atmos abgemischt , einer Technologie, die Surround-Sound im Kinostil mit objektbasiertem Panning kombiniert. Mit einem Smartphone, Tablet oder Computer und Kopfhörern kann man diese Versionen hören, wobei der Musiktitel bei der Wiedergabe binaural wiedergegeben wird. Geräte wie Apples AirPods Pro können die Kopfdrehung des Nutzers erfassen und die Musikquellen entsprechend der Kopfbewegung um den Hörer herum rotieren lassen. ^{[ 12 ]}

Die zunehmende Popularität von Podcasts hat zu einem Anstieg der Hörspielproduktion geführt, und viele wurden mithilfe von binauralen Aufnahmen oder durch Mono-Aufnahmen und anschließendes Mischen dieser Aufnahmen mit Dolby Atmos produziert. ^{[ 13 ]}

Die einfachste Aufnahmetechnik verwendet zwei kleine Mikrofone, die in den Ohren einer Person platziert werden. Mit dieser Technik lassen sich sehr beeindruckende Aufnahmen aus der Ich-Perspektive erzeugen. Das DPA 4560 wurde speziell für diese Art von Aufnahme entwickelt. ^{[ 14 ]} Allerdings werden bei dieser Technik auch die Geräusche der Person, die die Mikrofone trägt – Atmung, Rascheln der Kleidung und jegliche Bewegungen – deutlich aufgezeichnet, was sie für viele Arten von Aufnahmen unpraktisch macht.

Häufiger wird ein Binauralkopf, auch Kunstkopf genannt, verwendet . [ ^{15 ] Dieser} verfügt typischerweise über zwei Mikrofone im Abstand von 15 cm, die voneinander abgewandt sind, sowie über eine kopfförmige Masse dazwischen. Die Mikrofone sind üblicherweise in den Kopf integriert, wobei sich davor eine Silikonform eines Ohrpaares befindet.

Einige binaurale Mikrofone gehen noch einen Schritt weiter und integrieren Elemente des menschlichen Oberkörpers, um zu simulieren, wie Schall von den Schultern reflektiert und von der Körpermasse absorbiert wird. Diese sogenannten Kopf- und Oberkörpersimulatoren (HATS) beinhalten oft komplexere Details, wie beispielsweise einen Mundsimulator. ^{[ 16 ]}

Der Abstand zwischen den Ohren, die Größe, das Gewicht und die Form des Kopfes und der Ohren sollen annähernd denen eines durchschnittlichen Menschen entsprechen. Da jedoch nur sehr wenige Menschen tatsächlich die durchschnittliche Größe haben ^{[ 17 ],} erklärt dies einen Teil der Unterschiede darin, wie stark ein binauraler Effekt von verschiedenen Personen wahrgenommen wird.

Ziel ist es, dass jedes Mikrofon den Schall in der gleichen räumlichen Beziehung aufzeichnet: Jedes Signal soll die relativen interauralen Zeit-, Pegel- und Klangfarbenunterschiede aufweisen, die die beiden Ohren eines Menschen hätten, wenn sie sich an der gleichen Position wie der binaurale Kopf befänden.

Die Aufnahmen werden anschließend über Kopfhörer abgespielt. Dabei wird das Mikrofon des linken Ohrs des binauralen Hörgeräts an den linken Kopfhörer und das Mikrofon des rechten Ohrs an den rechten Kopfhörer des Hörers angeschlossen. Unser Gehirn ist dann in der Lage, die räumlichen Informationen in den Aufnahmen zu interpretieren und so eine dreidimensionale Klanglandschaft in unserem Bewusstsein zu erzeugen ^{[ 18 ],} da diese unserem eigenen Hörsystem entspricht.

Wie unsere Ohren nimmt ein binauraler Kopf Schall aus allen Richtungen auf: alle Geräusche eines Raumes und einen klaren Eindruck der Raumakustik. Ein binauraler Kopf kann beispielsweise außergewöhnliche Aufnahmen von Konzerten akustischer Musik ermöglichen. Er zeichnet aber auch alle Geräusche des Publikums deutlich auf.

Ein binaurales Hörsystem spiegelt auch die Grenzen des menschlichen Gehörs wider. Wenn sich ein Geräusch beispielsweise direkt vor uns befindet, ist der Unterschied zwischen dem Schall, der auf unser linkes und unser rechtes Ohr trifft, sehr gering. Befindet sich das Geräusch direkt hinter uns, ist der Unterschied ebenfalls minimal. Ohne die Unterstützung unseres Sehsystems fällt es uns schwer, allein anhand unseres Gehörs zu unterscheiden, ob sich etwas direkt vor oder hinter uns befindet.

Es wurde für den Einsatz vor Ort bei elektroakustischen Tests an beispielsweise Telefonhörern, Headsets, Audiokonferenzsystemen, Mikrofonen, Kopfhörern, Hörgeräten und Gehörschützern entwickelt. ^{[ 19 ]} Es umfasst weich geformte Ohrmuscheln, Nase, Mund und Rumpf. Mithilfe eines MRT-Scanners erfassten Brüel & Kjær und die DTU die Geometrien einer großen Anzahl menschlicher Ohren. Durch die Erfassung der vollständigen Gehörgangsgeometrie einschließlich des knöchernen Teils am Trommelfell wurden diese Daten nachbearbeitet, um die durchschnittliche Geometrie des menschlichen Gehörgangs zu bestimmen. ^{[ 20 ]}

Das Neumann KU 100 zeichnet sich durch ein schlichtes Design mit einer eher abstrakten Darstellung eines Kopfes und „realistischen“ Ohren aus. Es ist nicht individualisierbar. Das Neumann ist ein weit verbreitetes binaurales Mikrofon und wird unter anderem von den Forschungs- und Entwicklungsteams der BBC eingesetzt. ^{[ 21 ]}

KEMAR wurde ursprünglich in Zusammenarbeit mit der Audiologiebranche für die Entwicklung von Hörgeräten entwickelt und ist nach wie vor der De-facto-Standard in diesem Bereich. Mittlerweile findet KEMAR jedoch auch in zahlreichen anderen Branchen Anwendung, beispielsweise in der Telekommunikation, bei Gehörschutztests und in der Automobilentwicklung. KEMAR wurde auf Basis umfangreicher statistischer Forschung so konzipiert, dass es den durchschnittlichen menschlichen Messwerten so nahe wie möglich kommt. Rumpfreflexionen tragen maßgeblich zu einer gelungenen binauralen Aufnahme bei. ^{[ 22 ]} Das System verfügt über austauschbare Ohrmuscheln in verschiedenen Größen und Materialien sowie über verschiedene Arten von Gehörgangssimulatoren.

Die binauralen Mikrofone der 3Dio-Serie verfügen über zwei Silikon-Ohrpassstücke mit einem Abstand von 14 Zentimetern (5,5 Zoll) – etwas weniger als bei vielen anderen binauralen Mikrofonen. Die Mikrofone werden im Ohr platziert und reichen vom Primo EM172 in den Modellen Free Space und Free Space XLR bis zum DPA 4060 im Modell Pro II. Die 3Dio-Serie ist deutlich günstiger als beispielsweise das Neumann KU 100 und wird eher von Consumer- bis Prosumer-Nutzern eingesetzt. Da sich keine Kopfmasse zwischen den Ohren befindet, ist das Mikrofon leichter ^{[ 23 ]} und mobiler als andere binaurale Mikrofone, die oft mehrere Kilogramm wiegen können. ^{[ 24 ]}

Es handelt sich hierbei um tragbare Stereo-Mikrofone, die wie Kopfhörer in der Ohrmuschel platziert werden. Sie nutzen die Ohrmuschel und die Kopfmasse des Benutzers, um den binauralen Effekt zu erzeugen. ^{[ 25 ] [ 14 ]}

Mit Hilfe von „Binaural Panning“-Software lassen sich in Mono aufgenommene Klänge in einem dreidimensionalen Klangraum so platzieren, als wären sie mit einem binauralen Kopfhörer aufgenommen worden. Der Klang wird mithilfe eines komplexen mathematischen Algorithmus verarbeitet, der die interaurale Zeit, den Pegel, begrenzte HRTF-Informationen und optional auch die Raumakustik in die Tonaufnahme einbettet und so einen binauralen Effekt erzeugt. ^{[ 26 ]}

Ambisonic-Aufnahmetechniken können auch zur Erzeugung binauraler Tonaufnahmen verwendet werden. ^{[ 27 ]}

Die Technik der binauralen Neuaufnahme ist einfach, aber noch nicht weit verbreitet. Sie basiert auf den gleichen Prinzipien wie das Worldizing ^{[ 28 ]} , einer Technik, die von Filmtondesignern verwendet wird. Dabei wird Ton über einen Lautsprecher an einem realen Ort wiedergegeben und anschließend neu aufgenommen, wobei alle Aspekte und Merkmale der realen Umgebung mit einbezogen werden. ^{[ 29 ]} Ein binaurales Mikrofon nimmt Inhalte auf, die über ein Mehrkanal-Lautsprechersystem wiedergegeben werden. Der binaurale Kopf bzw. das Mikrofon erstellt somit theoretisch eine Aufnahme davon, wie Menschen Mehrkanal-Inhalte hören. Der Soundtrack eines Films könnte beispielsweise mit dem binauralen Mikrofon inklusive aller Umgebungsgeräusche des jeweiligen Ortes sowie des Nachhalls aufgenommen werden.

Das Hauptziel bei Aufnahmen mit einem binauralen Kopf ist die Erzielung einer perfekten binauralen Wiedergabe, die für alle Hörer geeignet ist. Das Problem besteht darin, dass jeder menschliche Kopf unterschiedliche Formen und Größen aufweist, was es sehr schwierig macht, einen für alle Ohren passenden binauralen Effekt zu erzeugen.

Die Mittelwertbildung erfolgt entweder durch die physikalischen Eigenschaften binauraler Headset-Mikrofone oder durch den mathematischen Algorithmus, der zur Erzeugung binauralen Klangs mithilfe von Binaural-Panning-Software oder Ambisonic-Decodern verwendet wird. Manche Menschen berichten von einer sehr eindrucksvollen Klangbühne, andere hingegen nicht.

Der Einfluss der Kopf- und Ohrform auf das Hörerlebnis ist Teil der sogenannten kopfbezogenen Übertragungsfunktion (HRTF). ^{[ 26 ]} Neuere Apple iPhone Pro- Modelle nutzen die Kamera und den LiDAR-Scanner , um ein 3D-Bild der Ohren des Nutzers zu erstellen und so eine personalisierte HRTF- Datei zu generieren, die die individuelle Ohrform in das Hörerlebnis einbezieht.

Im Januar 2012 produzierte die BBC-Forschungs- und Entwicklungsabteilung in Zusammenarbeit mit BBC Radio 4 eine binaurale Fassung von „Private Peaceful“ . ^{[ 30 ]} Die Hörspielbearbeitung nutzte die Wiedergabe eines 5.1-Lautsprechersystems und bot vier Varianten. Zu Beginn jeder Variante hörte der Hörer eine Reihe von Testsignalen, um die Version mit dem besten räumlichen Klangerlebnis auszuwählen. Die BBC-Forschungs- und Entwicklungsabteilung ging davon aus, dass die binaurale Wiedergabe unterschiedlich gut funktionieren würde und stellte daher verschiedene Mixe auf Basis unterschiedlicher HRTF-Daten bereit. Zur Veröffentlichung von „Private Peaceful“ wurde eine Umfrage durchgeführt, an der alle Hörer teilnahmen. Darin wurden Fragen zum Erfolg der binauralen Wiedergabe und zur bevorzugten Version (1–4) gestellt.

In einem Interview mit Chris Pike von der BBC-Forschungs- und Entwicklungsabteilung im September 2012 erklärte Pike: „Man kann zwar einen guten räumlichen Eindruck erzielen, aber Klangfarbenverfärbungen sind oft ein Problem.“ Dieses Problem wird in zahlreichen Studien zur räumlichen Klangverbesserung thematisiert und wird mitunter auf die falsche Verwendung oder unzureichende Menge an HRTF-Daten bei der Wiedergabe binauraler Audiodaten zurückgeführt. Auch die Tatsache, dass der Endnutzer die erfassten HRTF-Daten nicht gut aufnimmt, spielt eine Rolle. Francis Rumsey schreibt in seinem Artikel „Whose head is it anyway?“ (2011) ^{[ 31 ]} : „Schlecht implementierte HRTFs können zu schlechter Klangqualität, mangelhafter Externalisierung und einer Reihe weiterer unerwünschter Ergebnisse führen.“ ^{[ 31 ]} Korrekte HRTF-Daten sind entscheidend für den Erfolg des Endprodukts. Je umfassender die HRTF-Daten sind, desto geringer ist das Risiko von Fehlern wie Klangfarbenproblemen. Die für Private Peaceful ^{[ 30 ]} verwendeten HRTFs wurden durch Messung von Impulsantworten in einem hallenden Raum entworfen, um ein Raumgefühl zu erzeugen. Allerdings ist dies nicht sehr extern und es gibt offensichtliche klangliche Probleme, wie Pike betont.

Juha Merimaa von den Sennheiser Research Laboratories stellte fest, dass die Verwendung von HRTF-Filtern zur Reduzierung von Klangfarbenproblemen die zuvor mit den Daten erreichte räumliche Lokalisierung in Tests mit einer Hörergruppe nicht beeinträchtigte. ^{[ 32 ]} Dies erklärt, dass es Möglichkeiten gibt, die Auswirkungen von Klangfarbenproblemen auf mit HRTF-Daten verarbeitetes Audiomaterial zu reduzieren. Allerdings erfordert dies eine weitere Equalizer-Bearbeitung des Audiomaterials. Sollte dieser Ansatz weiter verfolgt werden, müssen Forschende akzeptieren, dass das Audiomaterial stark manipuliert wird, um ein besseres räumliches Hörerlebnis zu erzielen, und dass diese weitere Bearbeitung irreversible Veränderungen zur Folge hat, was Content-Ersteller möglicherweise nicht akzeptieren. Es muss daher sorgfältig abgewogen werden, in welchem ​​Umfang eine Manipulation angemessen ist und inwieweit diese die Nutzererfahrung beeinträchtigt.

Optimale Hörbedingungen ergeben sich höchstwahrscheinlich mit Kopfhörern, die einen möglichst linearen Frequenzgang bieten, um Klangverfärbungen zu minimieren. Viele Menschen haben jedoch nur Zugang zu minderwertigen Kopfhörern, was dazu führen kann, dass sie etwas ganz anderes hören als beabsichtigt, und die räumlichen Informationen im binauralen Audio beeinträchtigt werden.

Obwohl binaurale Aufnahmen über Stereolautsprecher wiedergegeben werden können, werden die räumlichen Informationen, die eigentlich nur vom linken Ohr wahrgenommen werden sollten, von beiden Ohren gehört, anstatt wie bei Kopfhörern nur vom Ohr der entsprechenden Seite. Gleiches gilt für die räumlichen Informationen des rechten Ohrs. Dadurch wird der räumliche Effekt des binauralen Klangs etwas beeinträchtigt und kann mitunter etwas ungewöhnlich klingen. Es ist möglich, binauralen Klang mithilfe von Software wie dem Binaural Post Processing Plug-in von Logic Pro in ein Format zu konvertieren, das sich natürlicher auf Stereolautsprechern wiedergibt .

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• Lalwani, Mona (12. Februar 2015). „Umgeben von Klang: Wie 3D-Audio Ihr Gehirn manipuliert“ . The Verge . Abgerufen am 1. März 2025 .

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