Schallmauer

Die Schallmauer bezeichnet die Geschwindigkeit, mit der sich Schall in einem Medium ausbreitet: Hier sind ein paar spannende Fakten über die Schallmauer:

• Der erste Mensch, der die Schallmauer im Horizontalflug durchbrach, war Chuck Yeager am 14. Oktober 1947 mit der Bell X-1
• Die Schallgeschwindigkeit in der Luft (bei 20 °C) beträgt ca. 1.235 km/h (343 m/s)
• Diese Geschwindigkeit steigt mit steigender Temperatur. Luftdruck und Luftfeuchtigkeit spielen im Alltag eine geringe Rolle.
• In Gasen und Flüssigkeiten treten Longitudinalwellen auf: Ausbreitungsrichtung der Schallwelle und die Bewegung der Teilchen um ihre Ruhelage sind gleich.
• In Festkörpern kommen mitunter auch Transversalwellen, Biegewellen und Torsionswellen vor. Die Wellengeschwindigkeit variiert mitunter zwischen diesen Wellenarten.
• Beim Xylophonspiel treffen Sie auf viele dieser Wellenarten. Hier sind nicht nur Longitudinalwellen schneller als Biegewellen. Die Schallgeschwindigkeit von Biegewellen ist zudem frequenzabhängig. Hohe Frequenzen sind schneller, was wir in einem YouTube-Video visualisiert haben.
• Der Begriff „Schallmauer“ beschreibt die aerodynamischen Herausforderungen, die beim Erreichen der Schallgeschwindigkeit auftreten.
• Der Luftwiderstand nimmt drastisch zu, was wohl zu der Metapher der Mauer geführt hat.

Was passiert beim Durchbrechen der Schallmauer

Beim Erreichen der Schallgeschwindigkeit kommt es zur Bildung von Schockwellen, die abrupte Druckänderungen in der Luft verursachen. Da die Luftmoleküle vor dem Flugzeug nicht schnell genug ausweichen können, entsteht eine zunehmende Verdichtung. Diese Verdichtungswellen stauen sich vor dem Flugzeug auf und führen zu starkem Luftwiderstand. Sobald das Flugzeug die Schallmauer durchbricht und schneller als der Schall fliegt, können sich die Schockwellen nicht mehr nach vorne ausbreiten. Stattdessen formieren sie sich zu einem kegelförmigen Bereich hinter dem Flugzeug. Dieser Kegel wird als „Machsche Kegel“ bezeichnet und ist vergleichbar mit Bugwellen bei Schiffen. Dies ist auch der Moment, in dem ein deutlich hörbarer Überschallknall entsteht.

Das Flugzeug durchbricht die Schallmauer und es entsteht es kegelförmige Schockwelle. Bild: Pixabay

Der Überschallknall — ein akustisches Phänomen

Ein charakteristisches Phänomen beim Durchbrechen der Schallmauer ist der Überschallknall. Er entsteht, wenn sich die durch den Verdichtungsstoß erzeugten Druckwellen bündeln und als lauter Knall hörbar werden. Dieser Knall kann noch in großer Entfernung wahrgenommen werden. Ein Flugzeug im Überschallflug erzeugt kontinuierlich eine kegelförmige Schockwelle, die als lauter Knall am Boden wahrgenommen wird, wenn die Stoßwelle auf einen Beobachter trifft. Es handelt sich nicht um ein einzelnes Geräusch beim Durchbrechen der Schallmauer, sondern ein kontinuierliches Phänomen während des gesamten Überschallflugs. Der Knall ist so laut, dass Überschallflüge über bewohntem Gebiet meist verboten oder eingeschränkt sind.

Wenn Sie sich auch in Zukunft intensiver mit dem Thema Schall beschäftigen möchten, empfehlen wir Ihnen ausdrücklich die beiden Artikel Schall unter Wasser und wie man den Schall orten kann. Diese bieten Ihnen wertvolle Einblicke und weiterführende Informationen zu diesem faszinierenden Bereich.

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Lautsprecher

Aktive und passive Lautsprecher setzen sich in der Regel aus mehreren Bauteilen zusammen:

• einem oder mehreren Treibern
• einem Gehäuse
• einer Frequenzweiche
• bei Aktivlautsprechern: einem Verstärker

Die Treiber sind meistens runde Membranen, die proportional zum Audiosignal nach vorne und hinten ausgelenkt werden. Manche Membranen werden mit sämtlichen Audio-Frequenzen angetrieben. Manchmal sind große Membranen für Bässe und Mitten, kleine Membranen für hohe Frequenzen vorgesehen. Wie im Foto zu erkennen, können Treiber aber eckige gefaltete Aluflächen sein.

Das Gehäuse verhindert einen akustischen Kurzschluss (Ziemer 2023): Von der Membran nach vorne gedrückte Luft könnte einfach hinter die Membran strömen, anstatt dass sich die Teilchenbewegung als Schallwelle ausbreitet. So breiten sich vor allem tiefe Frequenzen kaum in den Raum aus. Das Gehäuse ist dieser Strömung im Weg, damit Bässe lauter zu hören sind.

Die Frequenzweiche sorgt dafür, dass die unterschiedlichen Frequenz-Bereiche an die jeweils passenden Treiber geleitet werden: Das unter anderem aus Acid Techno bekannte Tiefpass-Filter (in der Elektrotechnik heißt es tatsächlich „das Filter“) leitet vor allem tiefe Frequenzen an die größte Membran. Ein Hochpass-Filter leitet die höheren Frequenzen an die kleine (Alu-)Membran.

Der Verstärker ist das Element, dass aktive und passive Lautsprecher voneinander unterscheidet. Passive Lautsprecher geben ein angelegtes Audio-Signal direkt wieder. Die Wechsel-Spannung des üblichen Line-Out-Anschlusses einer Soundkarte, eines Handys oder eines Fernsehgeräts reicht nur für sehr geringe Pegel aus. Das Ergebnis klingt also leise. Bei aktiven Lautsprechern wird das Eingangssignal erst einem eingebauten Verstärker zugeführt. Dieser multipliziert das Audio-Signal mit einem Faktor, den Sie über einen Lautstärkeregler bestimmen. Dieses Vorgehen braucht Energie, weshalb alle Aktiv-Lautsprecher eine eigene Stromversorgung benötigen.

Passiv-Lautsprecher benötigen einen vorgeschalteten Verstärker, um wirklich laut zu sein. Hierzu können Sie zum Beispiel eine Endstufe verwenden, oder eine Stereoanlage.

Nur Aktivlautsprecher können elektromagnetischer Einstreuung trotzen. Foto: Roman Stracke

Aktive Lautsprecher

Dass Aktiv-Boxen ihren eigenen Verstärker enthalten, ermöglicht einen so mächtigen „Trick“, dass in professionellen Tonstudios und bei Live-Settings fast ausschließlich aktive Lautsprecher Verwendung finden: Sie ermöglichen symmetrische Signalübertragung (Mores 2018):

• Audio-Signale werden meist analog an Lautsprecher übertragen
• Bei langen Kabelwegen können elektromagnetische Wellen in das Kabel „eindringen“
• Elektromagnetische Wellen gehen von fast allen elektronischen Geräten aus, wie Gitarrenverstärkern, analogen Synthesizern, Handys oder Mikrowellenofen
• Eingedrungene Wellen können am Lautsprecher hörbar werden. Ist Ihr Handy zu nah am Lautsprecher, wenn Sie angerufen werden, hören die diese Strahlung besonders laut.
• Bei symmetrischer Signalübertragung wird das Audio-Signal aber nicht nur einmal übertragen, sondern zweimal: Einmal wie gewohnt, und einmal verpolt.
• Dringt elektromagnetische Strahlung ein, sind beide Übertragungen auf die gleiche Weise betroffen.
• Jetzt wird im Aktivlautsprecher das verpolte Signal erneut verpolt und zum gewohnten Signal addiert. Das Ergebnis ist einfach doppelt so laut.
• Die elektromagnetische Strahlung hingegen wird durch das zweite Verpolen und Zusammenmischen ausgelöscht. Störgeräusche verschwinden.

Darüber hinaus ist es möglich, Aktivlautsprecher mit einem D/A-Wandler auszustatten, der digitale Audio-Signale empfängt, umwandelt, verstärkt und dann wiedergibt.

Passive Lautsprecher

Passive Lautsprecher kommen ohne eingebauten Verstärker aus und holen ihre Energie von externen Verstärkern. Sie bieten Ihnen die Freiheit, Ihr Setup individuell zusammenzustellen – perfekt für alle, die Klang, Technik und Flexibilität selbst in die Hand nehmen wollen:

• Wenn Sie Ihre Lautsprecher ohnehin an eine Stereoanlage anschließen, brauchen Sie nur dann Aktiv-Boxen, wenn Sie elektromagnetische Einstrahlung befürchten
• Ansonsten sind Passiv-Boxen die deutlich kostengünstigere Wahl
• Da sie keine zusätzliche Stromzufuhr benötigen, können Sie Passiv-Lautsprecher natürlich auch fernab von Steckdosen platzieren

Aktiv vs. Passiv Lautsprecher-Unterschied

Die folgende Tabelle fasst die wesentlichen Unterschiede zwischen Aktiv- und Passiv-Lautsprechern zusammen:

Fazit: Welcher Lautsprecher ist der richtige für Sie

Die Wahl zwischen aktiven und passiven Lautsprechern hängt von Ihren Bedürfnissen ab. Wenn Sie ein unkompliziertes System möchten, welches ohne viele Zusatzgeräte auskommt, sind aktive Lautsprecher für Sie die bessere Wahl. Falls Sie jedoch ihr System flexibel und selbst gestalten wollen, könnten passive Lautsprecher ihren Bedürfnissen besser entsprechen. Lassen Sie sich gerne auch professionell in einem Geschäft beraten, bevor Sie sich für ein Modell entscheiden.

In einem weiteren Artikel erfahren Sie, wie Sie Ihre Lautsprecher richtig aufstellen, um Musik zu mischen.

Quellen:

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VST-Begriffe

Bevor man mit der Programmierung eines VST-PlugIns beginnt, ist es empfehlenswert, sich zunächst mit einigen grundlegenden und essenziellen Begriffen vertraut zu machen. Diese Kenntnisse erleichtern das Verständnis der technischen Abläufe und ermöglichen eine effizientere Entwicklung.

• Virtual Studio Technology, kurz VST genannt, ist eine von Steinberg entwickelte Schnittstelle für Audio-Plugins, die die Integration unterschiedlichen Tonaufnahmegeräten und Instrumenten ermöglicht. Sie bedient sich digitaler Signalverarbeitung, um so bestimmte Geräte zu simulieren. Es können über eine Programmierschnittstelle digitale Effektgeräte und Instrumente innerhalb einer Musiksoftware eingesetzt werden.
• Ein PlugIn beschreibt ein Zusatzprogramm, welches die Funktionen von Webanwendungen und Desktop-Programmen ergänzt. Wenn ein PlugIn installiert wurde, wird die jeweilige Anwendung mit zusätzlichen Funktionen erweitert, ohne das Änderungen am Kerncode erforderlich sind.
• Software Development Kit, kurz SDK ist ein Set von Entwicklungswerkzeugen, die von einem Unternehmen bereitgestellt werden und zur Entwicklung einer Software dient. Für die VST Programmierung ist das VST3 SDK von Steinberg das wichtigste Werkzeug.
• C++ ist eine Programmiersprache, die häufig für die Entwicklung von Audio-PlugIns verwendet wird, da sie eine hohe Performance und Kontrolle über Systemressourcen bietet. Für die Erlernung dieser Programmiersprache können wir Ihnen

Einsatz von VST-PlugIns

VST-Effekte werden viel im Bereich der Musikproduktion eingesetzt, beispielsweise bei dem Mastern von Musik. Auch beim Komponieren von elektronischer Musik sind VST-Effekte heutzutage nicht mehr wegzudenken. Die Software von VST bringt auch die Möglichkeit mit sich, mit Audiosignalen zu kommunizieren. Das bildet die Grundlage, sich virtueller Effektgeräte zu bedienen, wie beispielsweise den Reverb, Equalizer oder auch den Kompressor. Bei vielen Hosts ist das Verketten unterschiedlicher VST-Effekte möglich. Das hat zur Folge, dass der Originalsound individuell verändert werden kann. Ein klassisches Beispiel dafür ist das Auto-Tune, bei welchem digital die Tonhöhen geändert und angepasst werden können. Das hat eine Klangveränderung zur Folge.

Eine VST-Programmierung wird häufig in der Musikproduktion verwendet. Bild: Pixabay

Vorbereitung zur VST-Programmierung

Für die Programmierung eines eigenen VST-PlugIns können Sie folgende Tools installieren.

• IDE (Visual Studio oder Xcode)
• C++ Compiler (MSVC, Clang, GCC)
• VST3 SDK
• Audio Framework (Juce, iPlu2, etc.)
• Build-Tools (CMake)
• DAWS (zum Testen der PlugIns)
• Git für Versionskontrolle

Mit diesen Tools sind Sie bestens gerüstet, um in die VST-PlugIn-Programmierung einzutauchen. Um Ihnen das Programmieren zu erleichtern, können wir Ihnen die Tutorials auf der Steinberg Webseite empfehlen.

Durchführung einer VST-Programmierung

Man muss zunächst die nötigen Tools installieren, um ein eigenes PlugIn zu entwickeln. Dazu gehören die VST 3 SDK von Steinberg, eine Entwicklungsumgebung wie Xcode oder Visual Studio sowie CMake für die Projektgenerierung. Zudem wird eine DAW wie Cakewalk oder FruityLoops Studio benötigt, um das PlugIn zu testen. Nach dem Einrichten der Umgebung kann der bereitgestellte Quellcode geladen und erste Änderungen an bestehenden PlugIns vorgenommen werden.

Erstellung eines eigenen PlugIns

Um ein eigenes VST-PlugIn zu entwickeln, benötigt man eine geeignete Entwicklungsumgebung wie JUCE oder Steinberg’s VST SDK. Zunächst wird das Grundgerüst des PlugIns erstellt, inklusive der DSP-Algorithmen zur Klangbearbeitung. Anschließend folgt die Gestaltung der Benutzeroberfläche mit Reglern und Anzeigen. Nach der Implementierung werden Tests durchgeführt, um die Stabilität und Klangqualität sicherzustellen. Abschließend wird das PlugIn kompiliert und für verschiedene Plattformen bereitgestellt. Eine gute Dokumentation erleichtert die spätere Nutzung und Weiterentwicklung.

In weiteren Artikel helfen wir Ihnen Ihr eigenes Homestudio einzurichten oder welche Australischen Band und Musiker’innen Sie auf jeden Fall kennen sollten.

Quellen

Krug, Katharina (2022). Was ist Visual Studio? Verständlich erklärt.

Pianoo (2018). VST. Software-Schnittstelle und Recording-Revolution.

Steinberg Media Technologies GmbH (2022). VST 3 Developer Portal.

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