Surround-Kopfhörer: Warum sie alle nichts taugen, und was man dagegen tun kann

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Mit dem steigenden Musikkonsum über Kopfhörer werden binaurale Simulationen für Audio-Hersteller wieder interessanter. Schon lange versuchen sie, ihren Kunden "Surround-Kopfhörer" zu verkaufen, die angeblich ein Gefühl vermitteln sollen, die Musik würde einen von allen Seiten umhüllen. Doch statt Wumms von allen Seiten gibt's meist nur Stimmen im Kopf, und ob ein Geräusch nun genau von vorne oder von hinten kommt, kann man meist nicht feststellen.

Der Grund liegt darin, dass alle bisherigen Simulationen für den Consumer-Markt auf standardisierten Formeln, so genannten Head Related Transfer Functions (HRTF) basieren. Je nachdem, aus welcher Richtung ein Geräusch kommen soll, werden die Lautstärke, die Signallaufzeit und der Frequenzgang für das rechte und linke Ohr angepasst. Doch diese Anpassungen sind immer die gleichen, egal, wer den Kopfhörer trägt. Teure Systeme bringen per Headtracking noch Bewegung ins Spiel und können die Ortung etwas verbessern. Aber auch sie lösen ein Grundproblem nicht, sodass viele Menschen selbst mit den teuersten Systemen noch immer die Klangquellen in ihrem Kopf statt drei Meter vor ihnen verorten.

Warum das so ist, erklärte David Griesinger, Entwickler des legendären Hallgeräts Lexicon 224 und jahrzehntelanger wissenschaftlicher Leiter von Lexicon, auf der 29. Tonmeistertagung in Köln: "Jeder Mensch hat individuell geformte Außenohren und Hörkanäle, die im Zusammenspiel mit dem Trommelfell unterschiedliche Resonanzen bilden". Um dieses Phänomen zu untersuchen, hat Griesinger winzige Mikrofone an dünnen Schläuchen befestigt und in die Ohren seiner Probanden eingeführt. So konnte er die Frequenzgänge direkt im Ohr vor dem Trommelfell messen. "Die Frequenzverläufe sind so unterschiedlich, dass man sie genau wie einen Fingerabdruck zur Identifikation einsetzen könnte", erklärte Griesinger. Jeder Mensch hat seine eigene individuelle Kurve. Daraus folgt, dass jeder Mensch seine Umwelt anders hört als sein Gegenüber.

Fingerabdruck im Ohr

Das ist nun zum Musikhören nicht weiter schlimm, denn jeder Mensch gewöhnt sich an seinen individuellen Frequenzgang und kann deshalb in einem Live-Konzert die Richtung der Klangquellen gut orten. "Kopfhörer verändern jedoch die Resonanzen am Trommelfell", erklärt Griesinger. Sie führen bei jedem Träger zu einem anderen Frequenzverlauf.

"Zwischen 500 Hz und 6 kHz verlaufen die Kurven noch ähnlich", erläutert Griesinger, in diesem Bereich müssten Kopfhörer und binaurale Aufnahme in ihrem Frequenzgang nicht zwingend angepasst werden. Oberhalb von 6 kHz können individuelle Frequenzspitzen nach seinen Messungen aber stark voneinander abweichen. "In meinem eigenen Ohr habe ich eine Resonanzverstärkung von bis zu 18 dB gemessen", sagt er. Messfehler schließt Griesinger dabei aus: "Die Werte sind reproduzierbar." Deshalb funktionieren Surround-Kopfhörer oder -Effektprozessoren bei den meisten Menschen auch nicht besonders gut. Es fehlt ihnen die Individuelle Frequenzgang-Anpassung.

Griesingers Lösung ist eine individuelle Messung der Frequenzgänge direkt am Trommelfell. Nun ist es aber nicht jedermanns Sache, mit einem kleinen Mikrofon in seinem Ohr herum zu pulen. Deshalb hat Griesiger eine einfachere Lösung parat.

Individuelle Frequenzmessung

Dazu hat er eine kleine Windows-Software programmiert, die dem Hörer rosa Rauschen in aufsteigenden Terzbändern zwischen 500 Hz und 12 kHz vorspielt. Zuerst muss der Anwender dazu einen Monolautsprecher mit linearem Frequenzgang vor sich aufbauen. Beim Hörtest pegelt er die einzelnen Frequenzbänder so ein, dass sie alle gleich laut klingen. Daraus ermittelt die Software einen individuelle Frequenzverlauf des Anwenders. Im zweiten Durchgang wiederholt er das Einpegeln der Terzbänder, aber dieses Mal mit seinem Kopfhörer im Bereich zwischen 30 Hz und 12 kHz. Daraus entsteht ein zweiter Frequenzgang. Aus der Differenz beider Frequenzgänge lässt sich dann berechnen, wie ein binaurales Signal gefiltert werden muss, damit der Zuhörer eine Signalquelle nicht mehr in seinem Kopf, sondern direkt vor ihm verortet. "Das klappt dann auch ohne Headtracking erstaunlich gut", erklärt Griesinger.

Gewiss, eine solche Messung ist aufwendig. Aber solange Kopfhörerhersteller darauf verzichten, und Surround-Sound mit einer Standard-Simulation ohne individuelle Anpassung versprechen, werden sie die Im-Kopf-Ortung nicht los. Dann ist es meist besser, ein ungefiltertes Stereosignal über normale Kopfhörer zu hören, als eine schlechte Surround-Simulation, die den Frequenzgang künstlich verbiegt.

Nachtrag vom 24.11.2016:

Dr. Günther Theile vom Verband Deutscher Tonmeister (VDT) wies uns in einem Brief darauf hin, dass die oben beschriebenen Mängel zwar für viele schlechte Surround-Kopfhörersysteme aus dem Consumer-Bereich gelten, dass es aber sehr wohl Systeme gäbe, welche die Surround-Lautsprecherwiedergabe erstaunlich präzise für die Kopfhörerwiedergabe binauralisieren. "Leider ist es so, dass viele schlechte BRS-Systeme [binaurale Raum-Synthese] den Ruf dieser Technik nach unten ziehen," schreibt Theile. Aber es existierten rühmliche, wenn auch hochpreisige Ausnahmen.

Theile nennt in diesem Zusammenhang beispielsweise die Modelle Realiser A8 und A16 von Smyth Research, die mit personalisierten Raum-Impulsantworten (PRIR) arbeiten, indem sie die Frequenzgänge des Anwenders mit In-Ear-Mikrofonen messen. Die Systeme kosten rund 1500 beziehungsweise 2500 US-Dollar (ohne Kopfhörer).

Zudem weist Theile darauf hin, dass die von David Griesinger vorgestellte Methode nur dazu geeignet ist, das sogenannte Freifeldübertragungsmaß des Kopfhörers zu personalisieren. Sofern die Entzerrung der binauralen Signale denselben Bezug aufweist, gewinnt das Klangbild an Natürlichkeit. Griesingers Bezug ist eine einzelne Schallquelle, die direkt vor dem Zuhörer platziert ist. Ebenso müssen Kunstkopf oder der für die Binauralisierung angewendete HRTF- oder BRIR-Datensatz entzerrt sein.

Für die richtige Lokalisation verweist Theile auf Hörversuche, die eine entscheidende Bedeutung des Tracking nachgewiesen haben. Die Nachbildung der spontanen kleinen Kopfbewegungen und die daraus resultierenden Laufzeitunterschiede des Direktschalles und der ersten Raumreflexionen verbessern die Vorn-Hinten-Unterscheidung und das Entfernungshören weitaus entscheidender als die individuelle Entzerrung der Frequenzgänge.

"Allerdings ist Head-Tracking für Kunstkopfaufnahmen leider (noch) nicht möglich, denn dafür wäre ja die Nachführung des Kunstkopfs entsprechend der Kopfausrichtung des Hörers notwendig. Head-Tracking bleibt vorerst auf BRS-Anwendungen beschränkt, die auf Speicherung oder Modellierung binauraler Raumimpulsantworten basieren“, führt Theile weiter aus. Genaueres zu seinen Untersuchungen kann man in seinem AES-Konferenz-Papier "Equalization of studio monitor headphones" nachlesen. (hag)