Grundlagen der Raumakustik

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1 Grundlagen der Raumakustik Audiovisuelle Medien HdM Stuttgart Schallausbreitung im Raum Reflexion Absorption Beugung Brechung Übergang in anderes Medium unterschiedl. Ausbreitungsgeschwindigkeit 1

2 Schallausbreitung im Raum Modell der Strahlverfolgung Modell mit Spiegelschallquellen Nachbildung des Schallfeldes mit WFS Kugelschallquelle im Rechteckraum ( = 0 %) Impuls startet zur Zeit t = 0, Strahlverfolgung r = c t, c = 343 m/s 2

3 Spiegelschallquellen im ebenen Rechteckraum S R 8 Spiegelschallquellen im ebenen Rechteckraum Quelle 1.Ordnung Quelle 2.Ordnung 3

4 Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Reflexion an ebenen Flächen Reflexion bei hinreichend großer Fläche Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ( Wellencharakter) Schallverlauf / Reflexionen beeinflussbar Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Reflexion an ebenen Flächen Reflexion an zwei senkrechten Wänden: doppelte Reflexion Einfalls- und Ausfallsrichtung stets genau entgegengesetzt Effekt unabhängig vom Einfallswinkel 4

5 Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Reflexion an ebenen Flächen zwei Wände im stumpfen Winkel: z. B. 6- oder 8-eckiger Raum zwei Reflexionen nur bei flachem Einfallswinkel Grenzfall, parallel keine Reflexionen in Nähe der Winkelhalbierenden Reflexionen hauptsächlich in Wandnähe Reflexion an gewölbten Flächen gewölbte Wandflächen optische Hohlspiegel Fokussierungseffekte schallzerstreuende Wirkungen 1/S + 1/e = 2/r S Abstand Sender-Wand e Abstand Brennpunkt-Wand r Krümmungsradius der Wand 5

6 Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Reflexion an gewölbten Flächen S r e r S Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Reflexion an gewölbten Flächen S r S r 6

7 Reflexion an gewölbten Flächen Gefahr von Inhomogenität an einzelnen Stellen im Raum durch Fokussierungen Balanceverschiebungen in Konzertsälen unerwünscht!!! nützlich für Sprachverständlichkeit in überakustischen Räumen (z. B. Kirchen) Quelle: Jürgen Meyer, Kirchenakustik Reflexion an gewölbten Flächen 7

8 Einfluss der Wellenlänge Voraussetzung für Reflexion: hinreichend große Fläche bezogen auf die Wellenlänge mindestens mehrere Wellenlängen sonst Schallbeugung um das Hindernis bzw. Teilreflexion Wand mit Breite von 3 Wellenlängen: kurzer Schallschatten auf der Rückseite, fast vollständige Reflexion Einfluss der Wellenlänge Wand mit Breite von 1 Wellenlänge: sehr wenig Reflexion, fast vollständige Beugung um das Hindernis akustische Wirkung von Reflektoren oder Hindernissen ist frequenzabhängig (tiefe f weit hörbar) 8

9 Quelle: Joerg Wuttke, Firma SCHOEPS, Karlsruhe Einfluss der Wellenlänge Hindernisse im Schallfeld im Vergleich mit der akustischen Wellenlänge klein groß ebene Schallwelle Kugelwelle Quelle: Jürgen Meyer, Kirchenakustik Einfluss der Wellenlänge 9

10 Wirkungsbereich von Reflektoren reicht zu umso tieferen Frequenzen herab je größer der Reflektor ist je kleiner der Abstand zur Schallquelle ist je kleiner der Abstand zum Hörer ist je steiler der Schall auf den Reflektor auftrifft Wirkungsbereich von Reflektoren hinreichende Masse für Wirkungsweise: mittlere und hohe f (z. B. Sprache / Gesang): Flächengewicht 10 kg/m 2 12 mm starke Holzplatte Bassregion (Musik): Flächengewicht 40 kg/m 2 50 mm starke Holzplatte 10

11 Reflektoren über der Bühne Wirkungsbereich von Reflektoren strukturierte Flächen mit Profil glatte Wand für tiefe f (geometrische Mittelebene) Einzelflächenreflexion für hohe f Diffusreflexion für mittlere f stärkste Diffusreflexion, wenn Tiefe der Struktur in Größenordnung ¼... ½ Wellenlänge Dreiteilung des Frequenzbereiches für zu unterschiedlicher Klangfärbung 11

12 Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Reflexionen an strukturierten Flächen Reflexionsverhalten bei verschiedenen Wellenlängen hohe Frequenzen mittlere Frequenzen tiefe Frequenzen Foto: Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Labor Reflexionen an strukturierten Flächen 12

13 Foto: Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Labor Reflexionen an strukturierten Flächen Quelle: Jürgen Meyer, Kirchenakustik Mehrfachreflexionen planparallel starke Wölbung geringe Wölbung 13

14 Wirkungsbereich von Reflektoren Impulsfolge bei stufenförmigen Strukturen empfundene Tonhöhe, f entspricht ½ der Tiefe der einzelnen Stufen Impuls Flatterecho (.wav) Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Einfluss einer Brüstung / Wand abschattende Wirkung 14

15 Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Einfluss einer Brüstung / Wand Relation zw. effektiver Höhe und Wellenlänge Einfluss der Wellenlänge db Abschattung durch Energieumleitung, Beugung Stärke der Abschattung variiert nur bei kleinen Winkeln sehr stark ( ) relativ wenig im Bereich Anwendungsbeispiele: Trennwände in Aufnahmeräumen Schallschutzmauern 15

16 Stehende Wellen Reflexion zwischen planparallelen Wänden Schallwellen werden in sich selbst zurückreflektiert Auslöschungen bzw. Addition wenn Wandabstand = ½ n mit n = 1, 2, 3,... geringfügiges Verschieben des Mikrofons Minima, Maxima Flatterechos bei Impulsen Quelle: Jürgen Meyer, Kirchenakustik Stehende Wellen Maximum Minimum 16

17 Stehende Wellen Optimalmaße für Rechteckräume: h : b : t = 1 : 1,26 : 1,59 oder 1 : 1,59 : 2,52 entspricht etwa dem Schwingungsverhältnis einer Terz d = n /2 ; c = f ; d = n c/(2f) Raum 1 6,39 m x 4,02 m x 2,53 m n 27 Hz n 43 Hz n 68 Hz Raum 2 4,02 m x 4,02 m x 4,02 m n 43 Hz n 43 Hz n 43 Hz weniger Frequenzen aber mit dreifachem Pegel!!! Klangfärbung durch Kammfiltereffekt frühe, pegelstarke Reflexionen ( ms nach Direktschall) bewirken Verstärkungen und Auslöschungen im Frequenzgang 17

18 Quelle: Helmut Wittek, SCHOEPS Schalltechnik GmbH Kammfiltereffekt bei Sprache Kammfiltereffekt, Grenzflächeneffekt Schallquelle s :... U54 2:... abgesprochen werden 3:... vorgenommen werden 4:... sein muß. 5:... zulässig. 6:... entnommen werden. Quelle: Joerg Wuttke, Firma SCHOEPS, Karlsruhe Kammfilter-Effekt D D = 34 cm (13.2'') Hz 18

19 Absorption Dämpfung: Schallrückwürfe mit reduzierter Amplitude dunkle Flächen in der Optik mit wenig Reflexion A = S Absorptionsgrad ( Leistung, Energie) frequenzabhängig Prozentsatz der absorbierten Energie A Absorptionsvermögen in m 2 Schallschluckung einer Fläche oder deren Fläche für offenes Fenster S Größe der Fläche mit Quelle: Dr. Ingolf Bork, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Labor Äquivalente Absorptionsfläche A = Fläche eines offenen Fensters im total reflektierenden Raum weitere Absorptionsursachen werden zu A addiert: Einzelabsorber mit A n z.b. einzelne Personen 3 V / m Ausbreitungsdämpfung in Luft A L T m Energiedämpfungskonstante ( in m / s 0,163 2 ) A / m 19

20 Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Labor Absorptionsflächen Absorption Vorhänge: vorzugsweise Höhenabsorber wirksam für alle f bei Wandabstand > ¼ ¼ + ¼ = ½ schwerer Stoff nötig, ca. 300 g/m 2 Vorhang sollte in Falten hängen f U = 8500 / d z. B. f U = 283 Hz für d = 30 cm f U untere Grenzfrequenz in Hz d Wandabstand in cm 20

21 Quelle: Tabelle des Deutschen Normenausschusses (DNA) Absorption Höhenabsorber: poröser Struktur (f g ) Quelle: Tabelle des Deutschen Normenausschusses (DNA) Absorption durch Personen 21

22 Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Absorption Publikumsabsorption bei 1,5 Pers/m 2 f in Hz ,2 0,4 0,8 0,85 0,95 0,9 Schallausbreitung über Publikumsreihen hinweg Höhe der Schallquelle Bühnenhöhe ansteigende Publikumsreihen Orgel: 0, ,6 ( Hz) Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Absorption Publikum f g 500 Hz besetzte Fläche wichtiger als Sitzdichte Verteilung von 200 Personen auf eine Fläche von Absorptionsvermögen bei 1000 Hz 100 m 2 95 m m m m m 2 22

23 Absorption Tiefenabsorber: schwingungsfähige Platte vor Hohlraum (als Feder) Feder-Masse-System reflektiert hohe f Frequenzbereich max. Absorption desto tiefer je tiefer der Hohlraum je schwerer die Platte noch besserer Wirkungsgrad, wenn Hohlraum mit Mineralfasern bedämpft ist Quelle: Tabelle des Deutschen Normenausschusses (DNA) Tiefenabsorber 23

24 Absorption Mittenabsorber: höher abgestimmter Tiefenabsorber ( Hz) dünne Platten Hohlraum mit geringer Tiefe, durch Schlitze oder Löcher zum Raum hin geöffnet Verkleinerung der schwingenden Masse Quelle: Tabelle des Deutschen Normenausschusses (DNA) Mittenabsorber 24

25 Quelle:Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Nachhall im Raum Nachhall Raumreaktion nach Abschalten der Schallquelle Schallrückwürfe in zeitlich immer dichter werdender Folge Nachhalldauer (subjektiv), abh. von Ausgangs- und Störpegel, unabh. von Schallquelle Sabinesche Nachhallzeit T 60 Wallace Clement Sabine ( ), amerikanischer Physiker - 60 db gegenüber Anfangswert Dynamik großes Orchester 25

26 Quelle:Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Nachhall Nachhallzeiten T 30, Pegelverlauf nach Abschalten der Schallquelle T 60 0 db -5 db 20*log(p/p 0 ) -35 db 30 db 60 db T 60 /2 26

27 Nachhallzeiten, Early Decay Time Definition: Pegelabfall um 10 db unmittelbar nach Abschalten der Quelle EDT, stärker ortsabhängig als T 30 0 db -10 db 60 db 20*log(p/p 0 ) T 60 /6 Nachhall in der Praxis: 30 db Pegelabfall ab 5 db unter Maximum, Faktor 2 10 db Pegelabfall (Early Decay Time, EDT) für musikalische Feinstruktur Nachhallzeit abhängig von: Stärke der einzelnen Reflexionen zeitlicher Abstand zwischen den einzelnen Reflexionsvorgängen ( freie Weglängen ) Frequenz, hohe f zusätzlich Dissipationsverluste während Schallausbreitung 27

28 Nachhall und Anhall grundsätzlich: Frequenzabhängigkeit hat große Bedeutung für subjektiven Klangeindruck Klangfarbenänderung beim Ausklingen Anstieg von T S bei tieferen f kommt dem menschlichen Gehör entgegen Einschwingzeit Anhall eines Raumes (- 3 db) < 1/20 Nachhallzeit Nachhall Sabinesche Nachhallformel: T = 0,163 V / A T in s, V in m 3, A in m 2 ( der A-Werte aller Flächen) menschlichen Wahrnehmbarkeitsgrenzen: etwa 0,02 s, bei T < 0,8 s etwa 0,1 s, 3,5% bei T > 0,8 s 28

29 Beurteilungskriterien für Raumklang Nachhallzeit und Frequenzgang Bündelung Fokussierung des Direktschalls auf die Zuhörer Diffusität Ruhegeräusch und Fremdgeräusche Nachhallzeiten verschiedener Räume Sprecherstudio Hörspielstudio großes Fernsehstudio Saal Sprache Oper Konzertsaal (Orchester) Kirchen 0,3 s 0,3... 0,6... 1,2 s 0,8 s 0,7... 1,2 s 1,5 s 2,0 s 2,5... 3,0 12 s 29

30 Quelle: Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Schallfeld Hallradius / Hallabstand Direktschall + statistisches Schallfeld = Schallfeld im Raum r H = 0,057 st (V / T) r H Hallradius / Hallabstand in m unabhängig von Leistung der Schallquelle st statistischer Richtfaktor der Schallquelle V Raumvolumen in m 3 T Sabinesche Nachhallzeit in s 30

31 Hallradius / Hallabstand Hallradius = Hallabstand für st = 1 ca. 5 6 m als Größenordnung für Konzertsaal bei mittleren Frequenzen bei 3 r H ist der Direktschall ca. 10 db unter dem statistischen Schallfeld erste Wellenfront ( Haas-Effekt ) Lokalisation noch möglich Quelle:Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Hallradius / Hallabstand Hallabstand für Trompete im Konzertsaal: Frequenz frontaler Abstand max. seitl. Ausdehnung 500 Hz 5 m 10 m 2 khz 12 m 12 m 10 khz 38 m 18 m 31

32 1. Beispielrechnung für T 60 Regieraum: 6,39 m 4,02 m 2,53 m V = 65 m 3 Holzdecke = 0,03 ; S = 6,39 m 4,02 m = 25,7 m 2 Linoleumboden = 0,03 ; S = 25,7 m 2 Tapete = 0,1 S = 2 (6,39 m + 4,02 m) 2,53 m = 52,7 m 2 Nachhallzeit T 60 = 1,55 s Hallradius r H = 0,37 m 2. Beispielrechnung für T 60 modifizierter Regieraum: 6,39 m 4,02 m 2,53 m V = 65 m 3 Deckenplatten = 0,6 ; S = 25,7 m 2 Teppichboden,schwer = 0,2 ; S = 25,7 m 2 Wandplatten = 0,4 ; S = 52,7 m 2 Nachhallzeit T 60 = 0,25 s Hallradius r H = 0,92 m 32

33 Zeitlicher Aufbau des Schallfeldes Direktschall: Deutlichkeit (z. B. Sprache, schnelle Tonfolgen) Durchsichtigkeit des Klangbildes räumliche Aufstellung der Musiker, 1. Wellenfront Entfernungseindruck Zeitlicher Aufbau des Schallfeldes verzögerte Reflexionen: = Nachhall Verschmelzen zu einem Gesamtklang Überbrückung von Lücken in zeitlichen Abläufen Erhöhung des Lautstärkeeindrucks Bedeutung der ersten Reflexionen (Zeit, Richtung) Haas-Effekt : db Pegeldifferenz ausgleichbar!!! 33

34 Klarheitsmaß (Clarity, Musik) C 80 = 20 log db Direktschall p² 0 50 ms 80 ms t Zeitlicher Aufbau des Schallfeldes Klarheitsmaß C 80 = 20 lg {E 80 /(E -E 80 )} db E gesamte eintreffende Schallenergie E 80 eintreffende Schallenergie von ms Anwendung bei Musik üblicher Wert db (Konzertsaal) 34

35 Deutlichkeitsmaß (Definition, Sprache) D 50 = % Direktschall p² 0 50 ms 80 ms t Zeitlicher Aufbau des Schallfeldes Deutlichkeitsmaß D 50 = E 50 / E in % Anwendung Sprache Relationen beachten!!! Horizontalebene ( interaurale Korrelation ) Vertikalebene (Verstärkung, keine räuml. Wirkung) fließende Übergänge guter Höreindruck, wenn erste Seitenreflexion vor der ersten Deckenreflexion beim Zuhörer eintrifft 35

36 Räumlichkeit subjektive Empfindung: räumliche Ausweitung des Klanges zur Seite und nach oben erweiterter Raumbereich wirkt schallerfüllt ohne Beeinträchtigung der Lokalisation Voraussetzung: hinreichende Lautstärke piano Stellen auch in mittelmäßigen Sälen gut überzeugende Klangentfaltung im forte nur in akustisch guten Sälen (emotionales Erlebnis) Seitenschallmaß Quelle:Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Historische Konzertsäle Umfrage von Bj Volumen Zuhörerplätze Nachhallzeit, voll besetzt, Hz Großer Wiener Musikvereinssaal Theatro Colon, Buenos Aires Concertgebouw Amsterdam m T m = 2,05 s T t = 2,4 s m T m = 1,8 s m T m = 2,0 s T t = 2,2 s Symphony Hall, Boston Konzerthus Göteborg m T m = 1,8 s T t = 2,2 s m T m = 1,7 s T t = 1,9 s 36

37 Quelle:Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Neue Konzertsäle Royal Festival Hall London Liederhalle Stuttgart Beethovenhalle Bonn Philharmonie Berlin Meistersingerhalle Nürnberg Bj Volumen Zuhörerplätze Nachhallzeit, voll besetzt, Hz m T m = 1,45 s T t = 1,35 s m T m = 1,65 s T t = 1,8 s m T m = 1,7 s T t = 2,0 s m T m = 2,0 s T t = 2,4 s m T m = 2,05 s T t = 2,2 s Quelle:Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Neue Konzertsäle Neues Gewandhaus Leipzig Alte Oper Frankfurt Schauspielhaus Berlin Bj Volumen Zuhörerplätze Nachhallzeit, voll besetzt, Hz m T m = 2,0 s T t = 2,0 s m T m = 1,95 s T t = 1,55 s!!! m T m = 2,0 s T t = 2,2 s Gasteig München m T m = 1,9 s T t = 1,9 s Philharmonie Köln m T m = 1,65 s T t = 2,0 s 37

38 Reflektoren über der Bühne Quelle:Jürgen Meyer, Akustik und musikalische Aufführungspraxis Konzertsäle 38

39 Konzertsäle optimale Nachhallzeit für Orchester 2,0 s optimale Nachhallzeit für Orgel s Hallradius für Kugelschallquelle st = 1 r H = 0,057 st (V / T) Wiener Musikvereinssaal: 4,75 m Berliner Philharmonie: 6,50 m Weitere Aufführungsorte Opernhäuser Kirchen Kammermusikräume Studioräume Spezialräume Freiluftbühnen antikes griechisches Theater 39

40 Tempo und Nachhall Nachhall länger als optimal: mehr Fülle weniger Deutlichkeit schnelle Sätze langsamer langsame Sätze langsamer Nachhall kürzer als optimal: schnelle Sätze langsamer langsame Sätze schneller Verlust der Temporelation!!! Tempo und Nachhall künstlicher Nachhall bei Aufnahmen Einfluss von Monitoring und Beschallung schnelleres / langsameres Tempo nicht durch Timetwist ausgleichbar!!! rhythmische Feinstruktur maßgeblich!!! 40

41 Raumakustik & Hörakustik objektiv: Messungen des Schallereignisses und seiner zeitlichen Veränderung Raumakustik subjektiv: verbale Beschreibung des Höreignisses Hörakustik Beschreibung von Raumeinflüssen: Begriffe aus der Optik, Haptik Verknüpfung z. T. problematisch 41