Raumakustik: Das Studio, der Eierkarton, die Absorber und Architektur

Raumakustik: Die Suche nach der idealen Raumform – Symmetrie ist die Kunst der Naiven …

 

Eine der vielen, scheinbar unumstößlichen und unter keinen Umständen in Frage zu stellenden Grundregeln des Studiobaus, die sich in den Köpfen aller festgesetzt haben, heißt: „Die Wände im Studio dürfen zueinander nicht parallel sein.” Sucht man allerdings nach den Hintergründen dieses dogmatischen Grundsatzes und betrachtet eine Vielzahl von professionellen Studios, dann kommt man wie so oft in der Akustik zu der Erkenntnis: „Das kann man so allgemein nicht sagen …”

Die Qualität der Akustik einer Regie oder Aufnahmeraumes wird durch drei Dinge bestimmt:

– die Raumform, in der Literatur oft als Primärstruktur bezeichnet,

– die Beschaffenheit der Oberflächen, die sogenannte Sekundärstruktur und

– die Positionierung von Schallquelle (also Sänger, Sprecher, Instrument oder Lautsprecher) und Empfänger (also Mikrofon oder Ohr).

Diese drei Punkte sind nahezu gleichberechtigt. Ein Raum mit ungünstiger Geometrie lässt sich zwar durch eine gezielte Gestaltung der Oberflächen erheblich verbessern, die ungünstigen Auswirkungen des Grundrisses lassen sich reduzieren und bis zu einem gewissen Grad kaschieren, das Ergebnis wird aber nie die Qualität eines Raumes mit günstigem Grundriss erreichen. Auf der anderen Seite kann die Geometrie eines Raumes noch so schön sein, mit einer ungeeigneten Oberflächengestaltung oder einer falschen Positionierung von Schallquelle und Empfänger wird man das Ziel auch nicht erreichen.

Am Anfang der raumakustischen Gestaltung eines Regie- oder Aufnahmeraumes steht also die Wahl der richtigen Geometrie. In vielen Fällen ist der Grundriss natürlich bereits vorgegeben. Die raumakustischen Maßnahmen beschränken sich dann auf die Gestaltung der Oberflächen und die Positionierung von Schallquelle und Empfänger. Im Falle einer ungünstigen Raumform bleibt dann natürlich nur, mit der Raumform zu arbeiten und die bestehenden Defekte durch die Sekundärstruktur, also durch die Gestaltung der Oberflächen mit Absorbern, Diffusoren und Reflektoren, so weit wie möglich zu minimieren.

Besteht die Möglichkeit, die Form des Raumes zu beeinflussen oder bei einem Neubau sogar komplett frei zu gestalten, sollte diese Möglichkeit auch genutzt werden. Dann stellt sich natürlich die Frage nach der idealen Geometrie. Diese Frage ist nicht mit einem Satz zu beantworten und ist auch zu einem gewissen Teil eine Frage der Philosophie. Oberstes Prinzip beim Bau von Regieräumen ist Symmetrie. Das betrifft die Symmetrie der Raumform und die Symmetrie der Oberflächengestaltung in gleichem Maß, wie die Positionierung der Abhörlautsprecher und des Abhörpunktes. Die Wiedergabe in einem asymmetrischen Regieraum wird gegenüber der in einem symmetrischen Raum vor allem bezüglich der Abbildung der Quellen immer minderwertig ausfallen.

Die Links-Rechts-Symmetrie (im Fall der Stereo-Wiedergabe) bedeutet aber, dass für die Gestaltung einer Geometrie mit zueinander nicht parallelen Wänden gar nicht so viele Möglichkeiten bleiben. Gleichzeitig sollte man große konkave, also nach innen gekrümmte Flächen wie z. B. halbkreisförmige oder in Segmenten an solche Formen angenäherte Wandabschnitte vermeiden, da sie durch ihre bündelnden Eigenschaften sehr ungünstige raumakustische Effekte hervorrufen, die sich im tieffrequenten Bereich auch durch Bedämpfung oder Ähnliches nur begrenzt reduzieren lassen. Die Gestaltungsmöglichkeiten bei der Wahl der idealen Geometrie sind für Regieräume also sehr eingeschränkt.

Mögliche Formen sind z.B. trapezförmige Grundrisse oder angeschrägte Decken. Um die Geometrie eines Raumes beurteilen zu können, ist eine Beschreibung notwendig, die die physikalische Situation auch zuverlässig erfasst. Die bekannten geometrischen Verfahren, die angewandt werden, um die akustischen Eigenschaften von Räumen zu beschreiben, sind, wie bereits in einer unserer ersten Folgen beschrieben, auf den Bereich begrenzt, in dem die Schallausbreitung auch tatsächlich geometrisch stattfindet, also auf den Bereich, in dem die betrachteten Wellenlängen klein sind im Vergleich zu den Abmessungen des Raumes und den an der Schallausbreitung beteiligten Körpern.

Die Ausdehnung dieses Frequenzbereiches hängt also von der Größe des Raumes und der beteiligten Körper ab. Im Allgemeinen geht man davon aus, dass mit Ausnahme von lokalen Effekten wie Beugungserscheinungen im unmittelbaren Nahfeld von Einrichtungsgegenständen die Vorgänge im Bereich oberhalb der Schroeder-Frequenz

in Hz mit geometrischen bzw. energetischen Verfahren zu beschreiben sind. Dabei ist V das Volumen des Raumes in m³ und T die Nachhallzeit des Raumes in s. Die Schroeder-Frequenz kennzeichnet die Obergrenze des tieffrequenten Bereichs eines Raumes. Unterhalb dieser Frequenz ist es zwingend erforderlich, den Wellencharakter der Schallausbreitung zu berücksichtigen. Die Beschreibung des Schallfeldes im tieffrequenten Bereich erfordert die Lösung der Wellenfeldgleichung. Die Lösung ergibt die Eigenfrequenzen des Raumes, also die Frequenzen, bei denen sich Raummoden bzw. stehende Wellen bilden. Aus der Verteilung der Eigenfrequenzen und ihrer Bedämpfung ergeben sich die räumliche Schalldruckverteilung und die Übertragungsfunktion der Abhöranordnung. Die Berechnung der Eigenfrequenzen eines quaderförmigen Raumes kann mit der 1896 von Lord Rayleigh beschriebenen Formel erfolgen:

Mehr zum Thema Raummoden findest du hier.

Dabei ist c0 die Schallgeschwindigkeit, lx, ly und lz sind die Abmessungen des Raumes, also Länge, Breite und Höhe und nx, ny und nz bezeichnen die Ordnungen der Moden in den jeweiligen Richtungen. Zielsetzung der Optimierung der Raumgeometrie ist es nun, eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Eigenfrequenzen zu erreichen. Für quaderförmige Räume lassen sich aus dieser Bedingung günstige Seitenverhältnisse ableiten. Zum Zusammenhang zwischen der Eigenfrequenzverteilung und der Übertragungsfunktion und den sich daraus ergebenden Konsequenzen für die idealen Proportionen von quaderförmigen Räumen kommen wir in einer der nächsten Folgen.

Für Räume mit unregelmäßigen Formen, also zueinander nicht parallelen Wänden, ergeben sich in der Regel günstigere Verteilungen der Eigenfrequenzen und damit ein ausgeglicheneres Verhalten im tieffrequenten Bereich. Die Bildung von stehenden Wellen ist schwächer. Allerdings halten sich die Verbesserungen meist in Grenzen. Ein vollständiges Verschwinden der stehenden Wellen ist auch bei der günstigsten Raumgeometrie nicht zu erwarten. Auch in diesem Fall werden sich Raummoden bilden, die eine räumlich unausgeglichene Verteilung des Schalldrucks und Unregelmäßigkeiten in der Übertragungsfunktion zur Folge haben.

Die analytische Beschreibung des akustischen Verhaltens eines Raumes und damit die Berechnung seiner Eigenfrequenzen ist aber nur für einfache Geometrien, wie z. B. quader-, also schuhschachtelförmige Räume möglich. Komplexe Raumformen sind analytisch nicht zu erfassen und können nur numerisch berechnet werden. Die Anwendung von numerischen Verfahren wie z. B. der Finiten Elemente-Analyse, einem Verfahren aus der Strukturdynamik, befindet sich derzeit noch in der Erprobung.

Das bedeutet: es ist bisher nur mit sehr großem Aufwand und aufgrund fehlender Materialdatenbanken mit großen Unsicherheiten möglich, die Eigenfrequenzen eines Raumes mit komplexer Geometrie zu bestimmen. Da aber die Kenntnis der Eigenfrequenzen ein elementarer Parameter bei der akustischen Gestaltung eines Raumes im tieffrequenten Bereich ist, wird oft auf die Vorteile von nicht parallelen Wänden verzichtet zu Gunsten der Berechenbarkeit der Eigenfrequenzen. Ein ausgeglichenes Verhalten im tieffrequenten Bereich muss ohnehin durch die angemessene Bedämpfung des Raumes erreicht werden. Zurück zur Symmetrie: Die Symmetrie im Regieraum sollte bezüglich der Raumform, der Anordnung der raumakustischen Oberflächen und der Anordnung von Lautsprechern und Abhörposition gegeben sein.

Es sollte unbedingt darauf geachtet werden, dass die Symmetrie nicht durch ungünstig positionierte Fenster oder andere Einbauten mit zwingend reflektiven Oberflächen gestört wird und so für die einzelnen Kanäle ein unterschiedliches Reflexionsverhalten erzeugt wird. Im Aufnahmeraum dagegen ist es in der Regel nicht zwingend erforderlich, den Raum symmetrisch zu halten. Daher ist die Planung der Akustik im Aufnahmeraum meist wesentlich freier als im Regieraum und eine asymmetrische Gestaltung des Raumes mit zueinander nicht parallelen Wänden ergibt Sinn, da sich bereits durch die Primärstruktur störende Effekte wie Flatterechos vermeiden lassen und da der tieffrequente Bereich ausgeglichener wird – wenn auch leider nicht in dem Maße, wie häufig angenommen wird.

 

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Raumakustik: Die Suche nach der idealen Raumform zweiter Teil – Proportionen und ihr Einfluss auf die Raumakustik

 

Inhalt unserer letzten Folge war vor allem die Frage, ob es zweckmäßig oder sogar notwendig ist, Studioräume grundsätzlich mit schrägen Wänden und unregelmäßigen Grundrissen zu bauen. Aber in der Realität ist einfach ein Großteil der Räume mit einem rechteckigen Grundriss und einer horizontalen Decke versehen, also quaderförmig. Im Fall von komplett neu zu gestaltenden Grundrissen entstehen meistens Räume mit rechteckigen Grundrissen, um nicht zu viel Raum durch unregelmäßige Grundrisse zu verlieren. Ein Quader ist durch genau drei Größen beschrieben, nämlich durch seine Breite, seine Länge und seine Höhe. Aus dieser Geometrie heraus ergeben sich seine Eigenfrequenzen, also die Frequenzen, an denen Raummoden oder stehende Wellen auftreten.

Mehr zum Thema Raummoden findest du hier.

Wir haben bereits in der letzten Folge die von Lord Rayleigh aufgestellte Formel für die Berechnung der Eigenfrequenzen von quaderförmigen Räumen betrachtet. Setzt man in diese Formel die Abmessungen des Raumes und für die Ordnungen der Moden alle in Frage kommenden Werte ein, so erhält man die Verteilung der Eigenfrequenzen des Raumes. In der Abbildung 1 ist die Verteilung der Eigenfrequenzen eines Raumes mit einem Volumen von 56 m² mit einer für einen kleinen Regieraum nicht unbedingt günstigen, aber dennoch typischen Geometrie dargestellt.

Diese Eigenfrequenzen stellen die Basis für die Übertragungsfunktion des Raumes dar, entscheiden also zu einem großen Teil dar- über, welche Frequenzen wie stark von der Schallquelle zum Empfänger übertragen werden. Jede Raummode leistet einen Beitrag zur Übertragungsfunktion. Raummoden sind resonanzartige Erscheinungen. Der Beitrag jeder Raummode zur Übertragungsfunktion ist eine Resonanzkurve. Die Übertragungsfunktion von einer Schallquelle zu einem Empfänger im Raum entsteht nun durch die Überlagerung der Resonanzkurven der einzelnen Raummoden. Die Güte der Resonanzkurven hängt von der Bedämpfung der jeweiligen Raummode ab, also davon, wie viel Absorption im jeweiligen Frequenzbereich vorhanden ist. Die Übertragungsfunktion zu der in Abb. 1 gezeigten Eigenfrequenzverteilung ist in Abb. 2 für eine typische Positionierung von Lautsprecher und Mikrofon bzw. Abhörpunkt für zwei unterschiedliche Bedämpfungszustände dargestellt.

Die Eigenfrequenzdichte, also die Anzahl der Eigenfrequenzen pro Bandbreite, nimmt mit zunehmender Frequenz deutlich erkennbar zu und mit ihr die Überlappung benachbarter Moden, bis sie so hoch ist, dass die Übertragungsfunktion nicht mehr durch einzelne Raummoden, sondern durch andere Effekte wie Kammfilter bestimmt wird. Die Übertragungsfunktion wird daher mit zunehmender Frequenz ausgeglichener.

Bereiche, in denen keine Eigenfrequenzen liegen, bewirken mehr oder weniger breite Einbrüche in der Übertragungsfunktion und sollten daher vermieden werden. Gleichzeitig sollte man in Bereichen geringer Eigenfrequenzdichte das Zusammenfallen bzw. die unmittelbare Nachbarschaft von Eigenfrequenzen vermeiden, da sich dadurch sehr ausgeprägte Raummoden bilden können und durch die Modulation unmittelbar benachbarter Raummoden Schwebungen entstehen können. Das Ziel der Optimierung der Proportionen des Raumes besteht also darin, eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Eigenfrequenzen zu erreichen, da in diesem Fall mit einer in ihrem Frequenzverhalten ausgeglichenen Übertragungsfunktion zu rechnen ist.

Hinzu kommt nun auch noch die positionsabhängige und richtungsabhängige Anregung der Raummoden. Das bedeutet, je nachdem in welchem Bereich einer Raummode sich die Schallquelle befindet, lässt sich die Raummode unterschiedlich stark anregen, leistet also einen mehr oder weniger ausgeprägten Beitrag zur Übertragungsfunktion. Nicht nur die Position der Schallquelle, sondern auch die Richtcharakteristik und die Orientierung der Schallquelle lassen sich gezielt einsetzen, um bestimmte Raummoden anzuregen, oder eben gerade nicht anzuregen. Damit ergibt sich bei tieffrequent gerichtet abstrahlenden Lautsprechern ein zusätzlicher Freiheitsgrad bei der raumakustischen Gestaltung im tieffrequenten Bereich. Dazu kommen wir später.

Einfluss der Proportionen

Aus dem Zusammenhang zwischen Raumproportionen und Übertragungsfunktion heraus ergeben sich zwei grundlegende Erkenntnisse, die man bezüglich der Proportionen des Raumes beachten sollte:

1. Vergrößert man das Volumen eines Raumes bei gleichem Verhältnis der Abmessungen, so verschiebt sich die gesamte Eigenfrequenzverteilung zu tieferen Frequenzen. Dadurch erhöht sich bei einer gegebenen Frequenz tendenziell die Eigenfrequenzdichte und die Übertragungsfunktion wird ausgeglichener. Daher sind größere Räume bezüglich ihres Verhaltens im tieffrequenten Bereich unproblematischer als kleinere.

2. Wählt man die Extremform des Quaders, bei der alle Kantenlängen gleich lang werden (also den Würfel) und betrachtet die Lage seiner Eigenfrequenzen, erkennt man, dass zunächst einmal drei Eigenfrequenzen auf ein und dieselbe Frequenz fallen. Für einen würfelförmigen Raum mit einer Kantenlänge von z. B. 4 m liegen diese drei Eigenfrequenzen der untersten sogenannten axialen Raummoden, also der stehenden Wellen, die sich in nur jeweils einer Achse des Raumes ausbreiten, bei 42 Hz. Bei dieser Frequenz wird der Raum ein extremes Eigenleben entwickeln, es werden sich ausgeprägte Schalldruckmaxima in den Ecken des Raumes bilden, der Raum wird extrem dröhnen und in der Mitte des Raumes wird sich ein sehr ausgeprägtes Schalldruckminimum bilden.

Das bedeutet, diese Frequenz wird in der Mitte des Raumes nicht hörbar sein, ganz egal, wo die Schallquelle steht. Oberhalb dieser Frequenz liegt ein breiter Frequenzbereich, in dem überhaupt keine Eigenfrequenzen existieren. Dieser Frequenzbereich ist im gesamten Raum schlecht anregbar. Die nächsten Eigenfrequenzen zeigen sich erst bei 60 Hz, dafür liegen auch hier wieder mehrere Eigenfrequenzen bei ein und derselben Frequenz. Diesmal sind es die ersten drei tangentialen Moden, also Raummoden, die sich in jeweils zwei Dimensionen des Raumes bewegen, die wieder zu einer sehr ausgeprägten Mode führen und so weiter. Die Übertragungsfunktion ist also geprägt von starken Überhöhungen und Einbrüchen, die durch eine gezielte Bedämpfung zwar zu minimieren sind, aber kaum ganz auszugleichen sein werden.

Faustregel

Daraus lässt sich eine einfache und allgemeingültige Faustregel als Mindestanforderung ableiten: Alle ganzzahligen Zahlenverhältnisse der Abmessungen des Raumes sollten unbedingt vermieden werden. Ungünstig ist folglich nicht nur der Extremfall des Würfels, sondern auch Räume, die doppelt so lang wie breit, doppelt so lang wie hoch, genauso hoch, wie breit, dreimal so lang wie hoch sind usw. In den letzten Jahrzehnten ist eine Reihe von wissenschaftlichen Arbeiten über die idealen Proportionen von rechteckigen Räumen entstanden. Als günstig haben sich z. B. Seitenverhältnisse wie 1,00 : 1,14 : 1,39 oder 1,00 : 1,28 : 1,54 erwiesen.

Wen es weiter interessiert: Die Herleitung dazu stammt bereits aus dem Jahr 1965 von L. W. Sepmeyer und wurde damals im Journal of the Acoustical Society of America veröffentlicht. Mit derartigen Proportionen lässt sich eine sehr ausgeglichene Verteilung der Eigenfrequenzen erzielen. Dadurch ist bereits mit der Form des Raumes eine gute Basis für eine ausgewogene Übertragungsfunktion ohne unerwünschte Einbrüche und Überhöhungen geschaffen. Die weitere Arbeit liegt dann in der gezielten Gestaltung der Oberflächen des Raumes durch Breitbandabsorber, Resonanzabsorber und Diffusoren und nicht zu vernachlässigen in der optimalen Positionierung von Schallquellen und Empfängern.

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Raumakustik: Verbesserte Wiedergabe tiefer Frequenzen – Bass-Management Teil 1

 

Für viele ist der Subwoofer nach wie vor nur eine Notlösung, um den Frequenzbereich der Abhörlautsprecher nach unten zu erweitern, wenn es aus finanziellen oder geometrischen Gründen nicht möglich ist, Lautsprecher einzusetzen, die in der Lage sind, den gesamten Frequenzbereich abzustrahlen.

Was wenig bekannt ist: Ein gekonnt eingesetztes Bass-Management stellt vor allem bei kleinen (und in der Regel tieffrequent problematischen) Räumen ein sehr vielseitiges Werkzeug dar, um das Übertragungsverhalten im tieffrequenten Bereich grundlegend zu verbessern. Ein Bass-Management ist zwar kein Ersatz für klassische raumakustische Maßnahmen, aber es bietet eine effektive und kostengünstige Möglichkeit, raumakustische Maßnahmen zu unterstützen.

Die Grundidee des Bass-Managements basiert auf der Erkenntnis, dass tiefe Frequenzen nicht ortbar sind. Unter dieser Voraussetzung ist es nicht zwingend erforderlich, die tieffrequenten Anteile eines Signals von der gleichen Position aus abzustrahlen wie die mittel- und hochfrequenten Anteile. Dadurch ist es möglich, die tieffrequenten Anteile der Hauptlautsprechersignale durch eine Weiche abzutrennen und gebündelt über einen gemeinsamen Subwoofer wiederzugeben.

Ob nun tieffrequente Signale tatsächlich nicht ortbar sind, hängt allerdings zunächst davon ab, wie tieffrequent die Signale sind, vor allem aber auch von der Größe und der akustischen Gestaltung des Raumes und der Art und Positionierung der Schallquellen. Die notwendigen Filter- und Anschlussmöglichkeiten für ein Bass-Management sind häufig bereits im Subwoofer vorhanden. Ist die Option nicht vorgesehen, kann die Signalverarbeitung durch einen externen Bass-Management-Controller übernommen werden.

Die Abbildung zeigt den Signalfluss des externen Bass-Management-Controllers Klein + Hummel PRO M 68. Die Eingangssignale der fünf Hauptkanäle werden durch das Weichensystem im Frequenzbereich aufgetrennt. Die Signalanteile oberhalb der Trennfrequenz werden den einzelnen Hauptlautsprechern zugeführt. Die unterhalb der Trennfrequenz liegenden Anteile werden zusammengeführt und gemeinsam mit dem LFE-(low frequency effect)-Signal über den Subwoofer wiedergegeben. Erkennbar sind im Signalfluss noch vielfältige Möglichkeiten zur Anpassung an die räumlichen Voraussetzungen sowie die Möglichkeit, zu Kontrollzwecken das Bass- Management zu deaktivieren und alle Lautsprecher diskret breitbandig zu betreiben. Es geht hier aber nicht um die Details bestimmter Controller – da gibt es unterschiedlichste Möglichkeiten und Bedienoberflächen – sondern um deren sinnvollen Einsatz und grundsätzliche Vor- und Nachteile eines Bass-Managements.

Wie bereits in früheren Folgen beschrieben, bietet die Positionierung der Lautsprecher und der Abhörposition eine Möglichkeit, ganz erheblich Einfluss auf die Anregung der Raummoden durch die Lautsprecher zu nehmen.Vor allem in kleinen Räumen hat aufgrund der geringen Eigenfrequenzdichte die Positionierung von Schallquellen und Empfängern einen großen Einfluss auf die Übertragungsfunktionen der Abhöranordnung. Durch ein Verschieben der Lautsprecher und des Abhörpunktes lässt sich vor allem die tieffrequente Wiedergabe optimieren. Nun sind dem Verschieben der Lautsprecher im Normalfall durch die Raumgröße, die geometrischen Vorgaben und die technischen Einbauten praktische Grenzen gesetzt.

Bekanntlich ist es im Zweikanal-Stereo von größter Bedeutung, die Lautsprecher und den Abhörpunkt auf den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks, also im Winkel von 60° zueinander zu positionieren. Oberstes Gebot bei der Gestaltung von Regieräumen ist die Symmetrie des Raumes. Das bedeutet, die Möglichkeiten zur Veränderung der Positionen beschränken sich darauf, den Abhörpunkt weiter nach vorn oder weiter nach hinten zu schieben, die Stereobasisbreite zu verändern oder die gesamte Abhöranordnung zu drehen. Bei 5.1-Abhöranordnungen sitzen die Lautsprecher auf einem Kreis um den Abhörpunkt, was die Möglichkeiten, irgendetwas zu verschieben, noch wesentlich weiter einschränkt. Die Positionierung des Subwoofers ist aber relativ frei, seine optimale Position lässt sich durch akustische Messung der Anregung der Raummoden durch den Subwoofer festlegen. Dadurch bietet die Positionierung des Subwoofers beim Einsatz des Bass-Managements einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der akustischen Gestaltung des Raumes und die Übertragungsfunktion lässt sich in weit größerem Umfang optimieren.

Mehr zum Thema Raummoden findest du hier.

Nach der Optimierung steht der Subwoofer in den seltensten Fällen genau in der Raummitte, da hier typischerweise für eine relativ große Zahl von Eigenfrequenzen Schalldruckminima auftreten, in denen ein konventioneller Subwoofer das Schallfeld schlecht anregen kann und dadurch Einbrüche in der Übertragungsfunktion entstehen. Allerdings sollte man bei der Positionierung immer die Phasenbeziehung zwischen dem Subwoofer und den Hauptlautsprechern im Auge behalten, um ungünstige Interferenzen zu vermeiden. Zur Anpassung der Phase kommen wir in der nächsten Folge. Ein weiterer Vorteil des Bass-Managements besteht darin, dass, nachdem ja der Tieftonbereich aller Kanäle über den gleichen Lautsprecher und an derselben Position im Raum abgestrahlt wird, die Übertragungsfunktionen aller Kanäle in diesem Frequenzbereich zwangsläufig identisch sind. Bei breitbandigem Betrieb der Lautsprecher ist das bedingt durch die unterschiedliche Positionierung der Schallquellen im Schallfeld nahezu unmöglich.

Entscheidend: die Trennfrequenz 

Die Trennfrequenz entscheidet über den Erfolg des Bass-Managements. Eine variable Trennfrequenz bietet einen zusätzlichen Freiheitsgrad, allerdings sollte man bei der Wahl ein paar grundlegende Dinge beachten. Trennfrequenzen im Bereich von 80 Hz bis 160 Hz sind üblich.Wird die Trennfrequenz des Subwoofers zu hoch angesetzt, wird der Subwoofer als eigene Signalquelle geortet. Das Klangbild zerfällt. Die optimale Trennfrequenz hängt von der Raumgröße, von der Bedämpfung des Raumes, von der Stereobasisbreite, vom Typ der Lautsprecher und von der Positionierung des Subwoofers ab. Erfahrungsgemäß ist es in kleinen Räumen schwieriger, den Subwoofer zu orten, das heißt es besteht eine größere Freiheit in der Positionierung und die Trennfrequenz kann etwas höher angesetzt werden.

Die besten Ergebnisse werden in der Regel mit Trennfrequenzen von 80 bis 90 Hz erzielt. Allerdings sollte man die tatsächliche Entscheidung durch Messung und ausgiebiges Anhören treffen. Wichtig ist die Anpassung der Phasenlage des Subwoofers an die der Hauptlautsprecher, damit es um die Trennfrequenz herum zu einer einwandfreien Addition und nicht zu einer gegenseitigen Auslöschung der Signale des Subwoofers und der Hauptlautsprecher kommt. Hilfreich bei der Einrichtung und Optimierung eines Bass-Managements ist ein geeignetes Messgerät. In der Regel ist es sinnvoll, sich professionelle Hilfe mitsamt Messgerät zu holen.

 

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Raumakustik: Subwoofer Positionierung und Einmessung – Bass-Management Teil 2

 

Erster Schritt bei der Optimierung des Systems ist die richtige Positionierung des Subwoofers. Die Anregung des Schallfeldes hängt bei tiefen Frequenzen stark von der Positionierung des Lautsprechers innerhalb der Verteilung der Raummoden und der damit verbundenen Schallfeldimpedanzen ab. Wir hatten uns damit in einer der ersten Folgen der Serie beschäftigt. Grundlage für die einwandfreie Funktion des Bass-Managements ist eine saubere Addition der Signale des Subwoofers und Hauptlautsprecher zu einem Gesamtsignal ohne Amplituden- oder Phasensprünge im Bereich der Trennfrequenz. In der Hoffnung, eine einwandfreie Addition der Signale zu erreichen, wird häufig der Subwoofer direkt in der Mitte zwischen den beiden Hauptlautsprechern angeordnet. Da die gesamte Abhöranordnung im Raum symmetrisch angeordnet sein sollte, steht der Subwoofer in diesem Fall genau in der Mitte zwischen den beiden Seitenwänden. Betrachtet man aber die Verteilung der Impedanzen im Schallfeld des Raumes, erkennt man, dass sich bei der tiefsten Raummode, die zwischen den beiden Seitenwänden auftritt (also bei der Frequenz, bei der die Raumbreite gerade der halben Wellenlänge entspricht) in der Mitte zwischen den Wänden ein Schalldruckminimum ergibt, in dem ein konventioneller Subwoofer als Monopolquelle das Schallfeld nicht bzw. nur schlecht anregen kann.

Das gleiche gilt für alle Raummoden ungerader Ordnung, also für die Frequenzen, bei denen die Raumbreite eineinhalb mal, zweieinhalb mal der Wellenlänge entspricht usw. Daraus ergibt sich eine sehr unausgeglichene Anregung des Schallfeldes. Die Positionierung des Subwoofers in der Mitte des Raumes ist also aus wellentheoretischen Überlegungen heraus denkbar ungünstig. Auch bei einer Positionierung des Subwoofers außerhalb der Raummitte besteht am Abhörpunkt eine konstante Verzögerung zwischen dem Eintreffen des Signals der Hauptlautsprecher und dem des Subwoofers (das später durch die Abstimmung der Phasenlage des Subwoofers korrigiert werden muss). Lediglich bei einer deutlich vom idealen Hörpunkt entfernten Zuhörerposition bewirkt eine Verschiebung des Subwoofers aus der Symmetrieachse eine von der Zuhörerposition abhängige Verschiebung der Phasenlage zwischen dem Subwoofer und den Hauptlautsprechern. Setzt man aber die Wellenlänge bei der Trennfrequenz in Relation zu den Entfernungen, die für die Verschiebung des Subwoofers überhaupt in Frage kommen (80 Hz entspricht einer Wellenlänge von über 4 m), erkennt man, dass die Phasenänderung durch die Verschiebung in der Regel relativ unerheblich ist.

Eine direkte Ortung des Subwoofers ist bei einer ausreichend tiefen Trennfrequenz und einem hochwertigen Subwoofer, bei dem sich die nichtlinearen Verzerrungen und die damit verbundene Fehlortung aufgrund hochfrequenterer Signalkomponenten in Grenzen halten, nicht zu erwarten. Probleme treten in der Praxis daher erst bei extremen Subwooferpositionen auf, die z.B. weit außerhalb der Stereobasis oder im hinteren Raumbereich liegen. Folglich ist es in nahezu allen Fällen problemlos möglich, den Subwoofer aus der Raummitte zu nehmen und ihn an der Stelle im Raum zu positionieren, an der er das Schallfeld in seinem Frequenzbereich am gleichmäßigsten anregen kann. Diese Position sollte man, wenn man Besitzer eines geeigneten Messgerätes und mit messtechnischen Grundlagen vertraut ist,mit dessen Hilfe oder noch besser gleich mit Hilfe eines Fachmanns mitsamt Messgerät ermitteln und anschließend durch eingehende Hörtests verifizieren.

Geeignete Messgeräte sind entweder Frequenzanalysatoren auf Basis von Sweep- oder MLS-Messungen oder Real-Time-Analysatoren. Nach der Messung steht der Subwoofer in den meisten Fällen im Bereich zwischen der Symmetrieachse des Raumes und dem linken oder rechten Hauptlautsprecher. Wenn die optimale Position des Subwoofers gefunden ist, bleibt noch die Anpassung der Phasenlage und des Pegels der einzelnen Lautsprecher. Die Messung erfolgt separat für jeden einzelnen Kanal. Das bedeutet, es ist immer der Subwoofer und einer der Hauptlautsprecher aktiv.

Phase und Pegel 

Zunächst sollte der Pegel des Subwoofers grob so eingestellt werden, dass er in seinem Frequenzbereich eine ähnliche Empfindlichkeit besitzt wie ein einzelner Hauptlautsprecher. Dann kann die Anpassung der Phase erfolgen. Je stärker sich die Phasenlagen der Signale von Subwoofer und Hauptlautsprecher im Bereich der Trennfrequenz unterscheiden, umso tiefer ist der Einbruch in der Übertragungsfunktion, der durch die Interferenz der beiden Signale hervorgerufen wird. Sind die Signale gegenphasig, kommt es zur maximalen Auslöschung der Signale. Die Phase des Subwoofers wird nun so lange variiert, bis es zu einer einwandfreien Addition der nun gleichphasigen Signale und dadurch zu einem ausgeglichenen Verlauf im Bereich der Trennfrequenz ohne größere Einbrüche in der Übertragungsfunktion kommt.

Bei Systemen, die über eine zusätzliche Schaltmöglichkeit zum Invertieren der Phase verfügen, ist es oft zweckmäßig, bei invertierter Phase die Phasenlage zu suchen, bei der der maximale Einbruch auftritt und schließlich die Invertierung der Phase wieder aufzuheben. Natürlich sollte die Messung nicht nur direkt am Abhörpunkt, sondern auch in der Umgebung vorgenommen werden. Leider ist es nicht immer der Fall, dass die optimalen Einstellungen des Subwoofers für den einen Kanal auch zwangsläufig die besten Ergebnisse für einen anderen Kanal liefern. In diesem Fall müssen Kompromisse zwischen den einzelnen Kanälen getroffen werden. Anschließend wird noch der Pegel der einzelnen Lautsprechersysteme so angepasst, dass sich ein stetiger Verlauf der Übertragungsfunktion mit einer ausgeglichenen Balance der einzelnen Frequenzbereiche ergibt. Neben der Anpassung der relativen Pegel der einzelnen Lautsprecher sollten abschließend auch die absoluten Pegel der Wiedergabekanäle eingemessen werden, um die Kompatibilität zwischen unterschiedlichen Wiedergabeanlagen zu gewährleisten.

Die relevanten Referenzabhörpegel hängen vom wiederzugebenden Format ab. Damit werden wir uns in einer anderen Folge beschäftigen. Neben der messtechnischen Vorgehensweise besteht natürlich auch die Möglichkeit, die Einstellung der Parameter des Systems anhand von Hörtests vorzunehmen. Von einigen Herstellern werden hierzu CDs und DVDs mit Signalen für mehr oder weniger sinnvolle Einstellprozeduren angeboten. Die besten Ergebnisse werden in der Regel aber durch die Kombination einer Einmessung mit geeigneten Messgeräten und ausführlichen Hörtests erreicht. Letztlich bleibt zu sagen, dass ein mit etwas akustischem Verständnis eingesetztes und sauber eingemessenes Bass-Management-System in vielen Fällen durchaus eine Lösung von akustischen Problemen im tieffrequenten Bereich bietet und hier erhebliche Verbesserungen der Wiedergabesituation bewirken kann. Allerdings sollte man sich immer im klaren darüber sein, dass es keinen Ersatz für raumakustische Maßnahmen bietet.

 

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Raumakustik: Breitbandabsorber – Die Menge allein macht’s nicht

 

Die Menge allein macht’s nicht.

Die Vorgehensweise bei raumakustischen Maßnahmen sieht in vielen Fällen so aus: Ich kaufe mir eine Kiste Noppenschaum, klebe die Platten an die Wand – und wundere mich. Die Nachhallzeit des Raumes ist zwar niedriger als zuvor, die Flatterechos sind schwächer, und wenn ich Glück habe, ist auch zumindest der als Echo hörbare Teil der störenden Reflexionen verschwunden. Aber die eigentlichen Probleme des Raumes, allen voran das eigenwillige Verhalten im tieffrequenten Bereich, sind immer noch vorhanden, nur sind sie jetzt deutlicher zu hören als vorher. Und der Raum klingt dumpf. Die Ursache ist einfach: Die Maßnahmen absorbieren nur im oberen Frequenzbereich. Der mittel- und tieffrequente Bereich bleibt unverändert. Um den Einfluss eines Absorbers auf einen Raum zu erfassen, ist es unerlässlich, die grundlegenden Prinzipien der Schallabsorption und damit die Eigenschaften des Absorbers zu betrachten. Die Eigenschaften eines Absorbers werden quantitativ gekennzeichnet durch seinen Absorptionsgrad. Der Absorptionsgrad einer Oberfläche ist definiert als das Verhältnis der durch die Oberfläche absorbierten Schallenergie zu der auf die Oberfläche auftreffenden Schallenergie:

 

 

Vollständige Absorption bedeutet also α = 1, vollständige Reflexion bedeutet α = 0. Der Absorptionsgrad ist frequenzabhängig und wird in der Regel im Hallraum nach DIN EN 20354 gemessen.

Schallabsorption ist Umwandlung von Schallenergie in Wärme

Es existieren zwei für die Praxis relevante Grundprinzipien der Absorption: Breitbandabsorber, auch poröse Absorber genannt, und Resonanzabsorber. Im weitesten Sinne lassen sich alle Absorberkonstruktionen auf eines der beiden Funktionsprinzipien oder eine Kombination der beiden Prinzipien zurückführen. Mit dem ersten der beiden Mechanismen, der breitbandigen Absorption, wollen wir uns im Folgenden auseinandersetzen. Zur Funktion und Konstruktion von Resonanzabsorbern kommen wir in einer der nächsten Folgen. Breitbandabsorber sind Materialien wie Faserdämmstoffe, offenzellige Schäume oder Textilien, also Vorhänge, Teppiche usw.

Alle Breitbandabsorber haben einen charakteristischen Absorptionsgradverlauf: geringe Absorption im tieffrequenten Bereich und einen Anstieg zu hohen Frequenzen hin. Allerdings unterscheiden sich verschiedene Absorberaufbauten erheblich in den Parametern des Absorptionsgradverlaufes, also in der Grenzfrequenz, in der Welligkeit des Verlaufes und in der Höhe des maximal erreichten Absorptionsgrades. Die primäre Funktionsweise von porösen Absorbern beruht auf der Reibung der durch die Schallwelle zu Schwingungen angeregten Luftmoleküle an den Fasern des Absorbers und der daraus resultierenden Umwandlung von Schallenergie in Wärme. Da Reibung immer an Bewegung gebunden ist, erreichen poröse Absorber ihre höchste Effektivität in den Bereichen der maximalen Bewegung der Teilchen im Schallfeld, also in den Schnellemaxima des Schallfeldes, die sich in einem Abstand zur Wand befinden, der von der zu absorbierenden Frequenz abhängt und mit der Frequenz zunimmt. Daher sind für eine effektive Absorption tiefer Frequenzen mit Breitbandabsorbern große Schichtdicken oder große Wandabstände notwendig.

 

Neben der Absorption durch Reibung finden in porösen Absorbern noch weitere Mechanismen unter anderem durch Wärmeaustauschvorgänge und Schwingungen des Absorberskeletts statt, die zur Optimierung der Konstruktionen vor allem im Bereich tiefer Frequenzen genutzt werden können. Grundsätzlich erweitert sich aber vor allem durch eine Erhöhung der Schichtdicke des Materials der Arbeitsbereich des Absorbers zu tieferen Frequenzen hin. Dünne Schichten absorbieren nur hohe Frequenzen.

Zur Absorption tiefer Frequenzen sind große Schichtdicken notwendig. Der erreichte Absorptionsgrad hängt aber neben der Materialstärke noch von einem weiteren Parameter ab, der durch das verwendete Material bestimmt wird, dem Strömungswiderstand. Der Strömungswiderstand ist der Widerstand, den das Material einer Gleichströmung entgegensetzt. Das bedeutet bildlich ausgedrückt: Je schlechter man durch das Material durchblasen kann, desto höher ist der Strömungswiderstand. Entscheidend für die Funktion des Absorbers ist nun die Anpassung des längenspezifischen Strömungswiderstandes an die Schichtdick der eingesetzten Konstruktion. Das bedeutet, dass Materialien, deren Strömungswiderstände für die Verwendung in dünnen Schichten für die Absorption mittlerer und hoher Frequenzen optimiert sind, häufig auf Grund ihres hohen Strömungswiderstandes für den Einsatz in Absorberaufbauten großer Schichtdicken nicht geeignet sind. Spezielle „Akustikplatten”, wie man sie im Baustoffhandel kaufen kann, sind meist auf geringe Schichtdicken ausgelegt, haben einen hohen Strömungswiderstand und sind ideal für die Absorption mittlerer und hoher Frequenzen geeignet. Möchte man aber einen Breitbandabsorber mit großer Schichtdicke konstruieren, um auch den tiefen Frequenzbereich zu erfassen, muss man ein Material mit geringerem Strömungswiderstand verwenden, bis hin zur lockeren Trockenbau-Trennwandmatte (die nebenbei den Vorteil hat, dass sie nur einen Bruchteil kostet).

Frequenzunabhängig bedämpfen

Da es ja nun Zielsetzung bei der akustischen Gestaltung z. B. eines Regieraumes ist, den Klang des Raumes nicht vollständig zu beseitigen, sondern dem Raum möglichst universelle klangliche Eigenschaften zu geben, sozusagen ein Referenzklangfeld zu schaffen, ist es wichtig, für eine möglichst von der Frequenz unabhängige Bedämpfung des Raumes zu sorgen. Bei der Verwendung von porösen Absorbern ist dabei grundsätzlich darauf zu achten, Materialien mit geringen Schichtdicken wie z. B.Teppiche, leichte Vorhänge, dünne Schaumstoffmatten oder Noppenschaum nicht zu großflächig einzusetzen, da auf Grund der nahezu ausschließlichen Absorption hoher Frequenzen eine Überdämpfung des Raumes im hochfrequenten Bereich auftreten würde, was letztlich zu einem dumpfen Klangeindruck führen würde. Regieräume mit geringen Deckenhöhen sind bei Belegung der gesamten Bodenfläche mit Teppich häufig ohne weitere Absorptionsmaßnahmen bereits durch die Absorption des Teppichs im hochfrequenten Bereich überdämpft. Und bestimmte störende Effekte, wie z. B. Kammfilter können natürlich nur effektiv bekämpft werden, wenn die eingesetzten Absorber auch im relevanten Frequenzbereich einen ausreichenden Absorptionsgrad aufweisen.

Der Begriff „Grenzfrequenz” wird im Zusammenhang mit Absorbern in der Literatur und vor allem in den Angaben von Herstellern von Absorberelementen sehr unterschiedlich genutzt. Eine verlässliche Aussage über die Leistungsfähigkeit eines Breitbandabsorbers gibt letztlich nur sein frequenzabhängiger Absorptionsgradverlauf in Terz oder Oktavbändern. Angaben von Einzahlwerten oder von Werten, die über breite Frequenzbereiche gemittelt wurden, sind für die Anwendung im Studio nicht ausreichend. Diagramm 1 zeigt einige typische Breitbandabsorber: zwei unterschiedliche Teppiche mit 3 mm bzw. 7 mm, eine 7 cm Noppenschaumplatte (über den Sinn der Oberflächenstruktur von Noppenschaum lässt sich streiten) und einen schweren Vorhang, der in 20 cm Abstand zur Wand dreilagig aufgehängt ist. Durch die Optimierung der Aufbauten lassen sich bei einer geeigneten Schichtung von Materialien Absorptionsgrade von über 0,9 in einem Frequenzbereich bis zu 100 Hz bei einer Bautiefe des akustisch wirksamen Teils von 16 cm erreichen. Diagramm 2 zeigt die Absorptionsgradverläufe von zwei Breitbandabsorberelementen für den Einsatz im Studio mit einer Gesamtbautiefe von 8 cm bzw. 18 cm.

Wer sich intensiver mit dem Thema Absorber auseinander setzen möchte, wird eine umfassende Darstellung der Zusammenhänge in Mechel: „Schallabsorber, Band I bis III” finden. Gewisse mathematische Kenntnisse sind dabei allerdings unerlässlich. Wesentlich leichter verdaulich ist das Thema in Fasold,Veres: „Schallschutz + Raumakustik in der Praxis” zusammengefasst. Wie viel Absorptionsoberfläche in einem Raum Sinn macht, und ab welcher Menge ein Raum überdämpft ist, lässt sich in der Planung an einer Berechnungen der Nachhallzeit des Raumes erkennen, die sich aus der Gesamtfläche der eingesetzten Absorber ergibt. Mit der Berechnung von Nachhallzeiten werden wir uns ebenfalls in einer der nächsten Folgen beschäftigen.