Wie funktioniert ein Einpunkt-Stereo-Mikrofon?

Da muss ich etwas ausholen
Das Hören
war für uns "Menschentiere" der wichtigste Sinn. Die Augen kann man schliessen, die Ohren nicht. Sie melden uns, wenn Beute naht, aber auch, wenn wir zur Beute werden könnten. Also muss ein Fluchtreflex ausgelöst werden. Nur, was nützt es, wenn wir in die falsche Richtung rennen? Wir müssen also die Richtung des Schallereignisses orten können. Das geht recht gut im Bereich vor uns, schlecht hinter uns und kaum in der Vertikalen.

Um zu orten, haben wir zwei Ohren. Mit diesen können wir Lautstärkeunterschiede feststellen und diese Unterschiede als Ortung wahrnehmen. Wir können aber auch aus der Laufzeitdifferenz, die der seitliche Schall auslöst, die Richtung erkennen. Und letztlich führen die Ohrmuscheln und der Kopf zu Abschattungen und damit zu Klangfarbenänderungen je nach Schalleinfall (vor / rück).

Da die Ortung im hinteren Bereich nicht so scharf ist, können wir bei Bedarf den Kopf drehen und neu orten. Oder wir gehen einfach mal davon aus, was hinten ist, ist ein Feind. Also renn ich los und sehe ja, wohin ich renne.
Was aber vor mir ist, könnte Beute sein. Also schau ich in Richtung Schallquelle. Und da ist es vorteilhaft, wenn ich die Augen schon recht genau in die richtige Richtung lenke.

Stereo
bedeutet, dass ich eine räumliche Abbildung bekomme. Dies könnte auch das Sehen betreffen, wird aber heute mit dem Hören gleich gesetzt.
Zum Stereo hören brauche ich sicher meine beiden Ohren, denn mit einem Ohr allein könnte ich höchstens die Klangfarbenänderung auswerten. Diese könnte aber auch vom Schallereignis selbst stammen (dumpfes Geräusch) und somit eine Ortung ausschliessen.
Und so, wie zwei Ohren unabdingbar sind, sind auch mindestens 2 Lautsprecher nötig.
Nun kann ich eine Ortung durch verschiedene Dinge auslösen, nämlich mit jenen, welche unsere Ohren als Richtungsdetektor anwenden. Ich könnte Klangfarbenunterschiede ausnützen. Nur ist da wie erwähnt die Ortung unscharf und eigentlich nur als "Vorne/Hinten" zu gebrauchen.
Ich könnte die Laufzeit ausnützen, indem ich bei der Aufnahme zwei Mikrofone in einem gewissen Abstand aufstelle. Dies würde man als AB-Stereofonie bezeichnen. Hier entstehen technische Probleme, auf die ich später eingehen will.
Die dritte Möglichkeit (eigentlich nur die zweitbeste) ist die unterschiedliche Lautstärke der beiden Lautsprechersignale. Dies ist die XY-Stereofonie. Sie ist die Form, die heute meistens verwendet wird.

Stereo-Aufnahme
Sie bedingt, dass am Schluss zwei Signale vorhanden sind, ein L und ein R. Wie diese Signale entstehen, soll hier beschrieben werden.
Man kann einen Sänger mit einem Mikrofon aufnehmen. Das Signal wird verstärkt und im Mischpult auf die beiden Ausgangskanäle L und R geleitet. Ohne irgendwelche Triks ist das Signal nun auf beiden Ausgängen mit gleicher Stärke (und gleicher Phasenlage) vorhanden. Somit hören wir den Sänger in der Mitte, weil jeder Lautsprecher unseren Ohren das gleiche Signal liefert, genau so, wie wenn uns der Sänger gegenüber stehen würde. Dies nennt man eine Phantom-Schallquelle, denn wir hören einen Sänger vor uns, obwohl er eigentlich (durch die zwei Lautsprecher) zweimal (identisch!) vorhanden ist.
Wird der Sänger von einer E-Gitarre begleitet, so könnte diese halb links stehen. Die Gitarre selbst gibt ja fast keinen hörbaren Ton von sich, sondern nur EIN elektrisches Tonsignal. Dieses wird am Mischpult auf einen zweiten Kanal gelegt, welcher wieder zu dem Sänger auf die Ausgänge hinzugemischt wird. Aber hier kommt jetzt das Panpot ins Spiel. Damit kann man die Verteilung auf die beiden Ausgänge vornehmen. Und da wir die Gitarre halb links haben wollen, machen wir vor allem den rechten Anteil kleiner und erhöhen den linken Anteil ganz leicht.
Jetzt hören wir die Phantomschallquelle "Gitarre" stärker aus dem linken Lautsprecher, sodass wir sie halblinks orten.
So kann eine ganze Band zusammengesetzt werden. Dies ist also eine rein künstliche "Stereofizierung".

XY-Stereofonie
Hier wird entweder die beschriebene Anordnung als künstliches Stereosignal verwendet, oder es wird die natürliche Anordnung der Musiker mit zwei Mikrofonen aufgenommen. Wären die Mikrofone in einem Abstand angeordnet, also mit Einbezug der Laufzeit, so wären dies Aufnahmen nach AB, OSS, ORTF oder Kunstkopf. Dass dies technische Probleme geben kann, soll wie erwähnt später erklärt werden.
Um eben diese Probleme zu umgehen, darf die Mikrofonanordnung keine Laufzeit erzeugen. Folglich müssen die Mikrofone genau vertikal übereinander stehen oder sie müssen so klein sein, dass man sie dicht nebeneinander anordnen kann.
Durch die Richtcharakteristik nimmt jedes dieser zwei Mikrofonkapseln (in dem einen, gemeinsamen Gehäuse) hauptsächlich aus der einen Richtung auf, in welche die kapsel "schaut". Wenn beide gleich ausgerichtet wären, gäbe es kein Stereosignal, weil ja beide immer das selbe Ereignis mit der gleichen Lautstärke wiedergeben würden. Wenn aber die beiden Mikrofone gegeneinander verdreht werden, ergeben sich durch die Richtcharakteristik (Niere) unterschiedliche Signalstärken, je nachdem, wo das Ereignis steht.
Leider funktioniert das Bilder hochladen wieder mal nicht, sodass ich das Nachfolgende versuchen muss, mit Wortern zu erklären.

Richtcharakteristiken
Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen Kugel, Acht und Niere.
Die Kugel nimmt den Schall aus allen Richtungen mit gleicher Stärke auf. Man muss sich das wie folgt vorstellen: Man hat eine Blechdose ohne Deckel, aber mit Boden. Und man spannt auf diese Dose eine Membran.
Schall ist eigentlich eine Veränderung des Luftdrucks. Wenn wir also diese Dose mit der Membran haben, so wird diese Membran hineingedrückt, wenn sich der Luftdruck erhöht Ob die Ursache der Druckerhöhung vor oder hinter der Dose ist, spielt dabei keine Rolle.
Bei der Acht fehlt unserer Dose der Boden. Die Membran darf hier nur ganz leicht gespannt sein, weil sie bei straffer Spannung kaum mehr schwingt. Jetzt nehmen wir wieder das Ding, das die Luftdruckerhöhung brachte und stellen es so auf, dass es sich vor der Membran befindet. Jetzt ist nicht mehr der eigentliche Luftdruck massgebend (also kein Barometer), sondern die Druckwelle, die sich von unserem Ding ausbreitet. Und da diese Druckwelle auf die Membran wirkt, bewegt sich diese (wie bei der Kugel) nach innen. Wir bezeichnen diese Membranbewegung als PLUS.
Drehen wir die bodenlose Büchse um, so macht die Membran ebenfalls eine Bewegung, nur jetzt in der anderen Richtung. Es entsteht MINUS.
Und wenn wir die Büchse nur um 90 Grad drehen, entsteht gar nichts, weil die Welle gleich stark hinten und vorne auf die Membran wirkt und sich somit keine Druckdifferenz einstellt.
Diese beiden Charakteristiken sind eigentlich die "Grundausstattung".
Jetzt konstruieren wir die Niere. Dazu nehmen wir das Mischpult mit zwei Eingängen, eine Kugelkapsel und eine Acht-Kapsel. Am einen Eingang ist die Kugel angeschlossen, am anderen die Acht. Beide Kapseln sind dicht übereinander angeordnet. Hören wir nur Kanal 1, so haben wir nur die Kugel, bei 2 nur die Acht. Wenn wir jetzt beide Kanäle öffnen, so ergibt sich eine Addition der beiden Signale.
Vor der Kugel entsteht ein Plus, vor der Acht entsteht ein Plus. Folglich ist die Summe dieser beiden Signale 2.
Hinter der Kugel entsteht (immer noch) Plus, hinter der Acht ein Minus. Folglich ist die Summe NULL. Wir haben also aus der Kugel und der Acht durch reine Addition eine Niere erzeugt. Wenn wir jetzt mit einem Phasenschalter die Acht umdrehen würden, ergäbe das vorne ein Minus und hinten ein Plus. Wir hätten damit die Niere um 180 Grad gedreht, ohne das Mikrofon anzufassen. Und wir könnten uns vorstellen, dass wir am Mischpult die Pegel für Kugel und Acht verändern und so Nieren erzeugen, die hinten weniger dämpfen oder solche, die hinten einen kleinen, schmalen negativen Bereich aufweisen (sog. Supernieren).

die Niere können wir auch auf andere Art erzeugen, indem wir unsere bodenlose Büchse auf der Rückseite so stark mit Dämmmaterial verschliessen, dass sich die Membran bei einem rückseitigen Ereignis nicht bewegt, weil durch die Bedämpfung dann keine Druckdifferenz mehr entsteht, während sie bei frontalem "Druckangriff" noch auslenkt. Dies ist die übliche Konstruktion, die auch beim Sony-Mikrofon angewendet wird.

Bisher haben wir gesehen, dass es sich meist um ein Einpunkt-Mikrofon handelt, dass dies Voraussetzung ist für die XY-Stereofonie und dass nur diese technische Schwirigkeiten verhüten kann. Daher hier die Beschreibung dieser Schwierigkeiten.
Kleine Radios sind Mono. Es ist also nötig, dass ein Monosignal hergestellt werden kann. Dazu werden die beiden Mischpult-Ausgänge L und R addiert. Damit dies funktioniert, dürfen keine Phasen- und Laufzeitfehler entstehen. Denn wie beim Addieren der Kugel und der Acht kann es zu auslöschungen kommen, die (bei der Niere) gewollt sein können, die bei Mono aber stören.
Und es gibt einen zweiten Fall: Bei Surrounddecodern (Dolby Prologic) wird ein reines Monosignal auf den Centerkanal geleitet (gleicher Pegel und gleiche Phase von L und R), ein Stereosignal wird auf L und R geleitet und ein gegenphasiges Signal (wenn wir also quasi die Kugel nach L und die Acht nach R geleitet hätten und die ganze Sache von der Rückseite besprechen würden, also L Plus, R Minus) kommt aus den Rücklautsprechern. Ein Stereosignal nach AB, OSS, ORTF und Kunstkopf kann also dauernd zwischen den verschiedenen Lautsprechern umschalten oder wandern, was mit der ursprünglichen Aufnahme nichts zu tun hat. Daher ist bei Surround nur XY (der Rückkanal wird durch den Aufzeichnungs-Coder entsprechend angepasst) möglich, bezw. bei Stereo kann nur XY als Stereosignal über einen Surrounddecoder wiedergegeben werden. Soweit diese Erklärung der technischen Schwierigkeit.

Nun zurück zu Deinem Mikrofon.
Wenn ich wie erklärt aus einer Acht und einer Kugel eine Niere zusammenrechnen kann, dann kann ich aus zwei Nieren auch eine Acht machen, indem ich die eine Niere mit dem Phasenschalter des Mischpultes umdrehe. So geschehen beim Sony. Jetzt baue ich diese zwei Mikrofone so in das Gehäuse ein, dass das eine nach links und das andere nach rechts schaut. Das bedeutet, dass ein Schallereignis links ein Plus am Ausgang erzeugt, ein Schallereignis rechts ein Minus und ein Schallereignis vor dem Mikrofon bringt NULL.
Diese beiden Mikrofone (oder dieses Acht) liefern also ein Seitensignal, aber kein Mittensignal. Und beim Seitensignal gibt die Phase an, ob das Ereignis L oder R ist.
Zusätzlich ist jetzt ein drittes Mik eingebaut, das nach vorne schaut. Es nimmt hauptsächlich Schall aus der Mitte auf (Mittensignal), etwas weniger von der Seite und nichts von hinten.

Die nachfolgende Rechnung wird jetzt nicht ganz einfach, daher machen wir das Schritt für Schritt.

MS Stereofonie
Wir haben am Mischpult Kanal 1. Hier schliessen wir die linke Kapsel der "Acht" an. Dann haben wir Kanal 2. Hier wird Kapsel R der Acht angeschlossen, wobei wir den Phasenschalter auf "drehen" stellen. Die Summe von 1 und 2 ist jetzt die Acht oder das S-Signal. Diese Summe führen wir nun zurück auf die Kanäle 3 und 5. Bei Kanal 5 schalten wir wieder die Phase um. Somit haben wir an Kanal 3 +S und an Kanal 5 -S.
an Kanal 4 und 6 schliessen wir die Kapsel für die Mitte an. Wir verteilen die Signale nun wie folgt auf die beiden Mischerausgänge: Kanal 3 und 4 nach links, Kanal 5 und 6 nach rechts.
Wir haben also auf 3 +S, auf 4 +M, beides nach Ausg. L und auf 5 -S und 6 +M, beides nach R.
Stellen wir ein Ereignis links auf, so haben wir auf Kanal 3 ein +, auf 4 ebenfalls ein +, ergibt 2+ nach L. Auf 5 haben wir - (das gedrehte S+ Signal) und auf 6 +, ergibt NULL nach R
Bei einem Ereignis in der Mitte haben wir auf 3 und 5 nichts, weil die Acht (aus Kanal 1 und 2) nichts liefert, auf 4 und 6 haben wir das identische M-Signal, also haben wir auf L und R Ausgang das identische Signal, also Mitte oder Mono.
Bei einem Signal R haben wir an 3 -S, an 4 +M = Null nach L, bei 5 haben wir +S, bei 6 +M, also 2R

Vorteil von MS
Wie bereits bei der elektronischen Nierenrechnung angedeutet, kann man durch unterschiedliche Pegelung der Acht gegen die Kugel die Charakteristik des Mikrofons verändern. Das ist natürlich auch im vorliegenden Fall möglich. Man kann also durch unterschiedliche Pegelung der beiden Mikrofone, welche die Acht bilden, die Empfindlichkeit mehr nach links oder rechts biegen. Und man kann durch das Verhältnis des M-Signals zum Seitensignal den Öffnungswinkel verändern. Hat man also am Aufstellungsort des Mikrofons ein frontal schmales Ereignis (drei Sänger aus 3m Abstand), dann kann man den S-Anteil entsprechend erhöhen, sodass die Punkte gleicher Signalstärke für M und S näher gegen die Mitte rücken und damit (M-S ergibt ja den Punkt ohne Ausgangssignal) die Kanaltrennung bei geringem Öffnungswinkel steigt. Nun entstehen aber ausserhalb dieses schmalen Öffnungswinkels Differenzsignale (L = +S, R = -S), welche an einem Surrounddecoder Rückseitensignale generieren. Andererseits würden diese Differenzsignale bei Mono praktisch ausgeblendet, sodass man dieses Mik als recht enges Richtmikrofon einsetzen könnte. Und dies alles, ohne das Mik auch nur anzufassen.

Oh mann, eine solche umfangreiche und gute Erklärung für ein Problem habe ich noch nie in irgendeinem Forum bekommen. Vielen Dank für deine Mühe! Das meiste wurde mir schon bei ersten Lesen klar. Für die Rechnung am Ende war noch ein zweites mal nötig. Ein paar Begriffe werde ich nachher zu Hause mangels Fachwissen noch nachschlagen müssen, aber im Großen und Ganzen hat es gegklickt.
Nur nochmal zur Bestätigung: Das Mitten-Mikrofon ist auch eine Niere?

Danke noch einmal!
MfG, Gobble-G

Ja,
aber man könnte das auch mit zwei Achten hinkriegen. Nur sind Elektret-Nieren kein Problem. Es gibt etliche Mik-Hersteller, die andere Firmen beliefern. Und so findet man oft die selben Produkte unter verschiedenen Namen. Wenn es also Nieren gibt, wird sich Sony die Mühe sparen und fertige einkaufen. Bei Achten müssten sie schon selber entwickeln, weil solche kaum in entsprechend grossen Stückzahlen und zu entsprechend tiefen Preisen zu bekommen sind.