Virtuelle Raumakustik Faltungshall, Spiegelschallquellen. von Kai Oertel

Transkript

1 Faltungshall, Spiegelschallquellen von

2 Inhalt 1. Motivation 2. Raumakustik Grundbegriffe 3. Raumakustische Modelle Fazit

3 1. Motivation Reflexionen überwiegen im Raum Raumakustik hat also wesentlichen Einfluss auf den gehörten Schall Physikalisch beschreibbar und daher digital reproduzierbar Durch gestiegene Rechenleistung Faltungshall anwendbar Für die Erschaffung natürlichen Klanges essentiell Folie 3 von 34

4 2. Raumakustik Grundbegriffe Schall Periodische Druckschwankungen in einem Medium Wellenförmig Schallausbreitung Longitudinalwelle schwingt in Ausbreitungsrichtung Kugelförmig in alle Richtungen Abhängig von Form, Beschaffenheit und Größe der Schallquelle Folie 4 von 34

5 2. Raumakustik Grundbegriffe Amplitude maximale Auslenkung der Welle entspricht Schalldruck beim Schall Wellenlänge λ Distanz, die in einer einzelnen Schwingung zurückgelegt wird Frequenz f Anzahl der Schwingungen pro Sekunde Entspricht Tonhöhe beim Schall Folie 5 von 34

6 2. Raumakustik Grundbegriffe Schallgeschwindigkeit c Lässt sich aus Wellenlänge und Frequenz berechnen Temperaturabhängig Stark abhängig vom Übertragungsmedium 343 m/s bei Luft 20 C Folie 6 von 34

7 2. Raumakustik Grundbegriffe Reflexion Schall wird an schallharten Oberflächen reflektiert Einfallswinkel = Ausfallswinkel Absorption Schall wird statt reflektiert zu werden absorbiert Umwandlung von Schall in Wärmeenergie Folie 7 von 34

8 2. Raumakustik Grundbegriffe Beugung Schall beugt sich um Schallharte Oberflächen herum, die kleiner als seine Wellenlänge sind Schallschatten Diffuse Reflektion An Schallharten Strukturen dessen Tiefe im Bereich der Wellenlänge wird Schall frequenzabhängig diffus gestreut Folie 8 von 34

9 2. Raumakustik Grundbegriffe Schalldruck p Die Luftdruckschwankungen um den statischen Luftdruck Gemessen in Pascal, also Newton pro Quadratmeter Entfernungsabhängig Schalldruckpegel db SPL Logarithmische Darstellung des Schalldrucks Bezugswert p0 = 20 µp entspricht Hörschwelle des Menschen bei 1 khz Folie 9 von 34

10 2. Raumakustik Grundbegriffe Hörbarer Schall von 16 Hz bis 20 khz Bass nicht lokalisierbar +10 db Schalldruck verdoppelt subjektiv die empfundene Lautstärke Ortung durch Zeit- und Pegelunterschiede zwischen beiden Ohren Folie 10 von 34

11 2. Raumakustik Grundbegriffe Large Room Acoustics Raum dessen Größe außerhalb der Wellenlänge des Hörschalls ist Kaum frühe Reflektionen Probleme mit Echos Small Room Acoustics Raum dessen Größe teilweise im Bereich der Wellenlänge des Hörschalls ist Viele frühe Reflexionen Keine Probleme mit Echos Auftreten des Druckkammereffektes Folie 11 von 34

12 2. Raumakustik Grundbegriffe Direktschall Der Schall, der von der Quelle direkt das Ohr erreicht Raumschall Der Schall, der vom raum reflektiert das Ohr erreicht Hallradius Distanz von der Quelle bei der Direktschall und Raumschall gleich laut sind Frequenzabhängig Innerhalb des Hallradius steigt der Schalldruck mit 6 db pro Abstandshalbierung Außerhalb des Hallradius bleibt der Schalldruck weitgehend konstant Berechnung Abhängig vom Nachhall und Raumvolumen Folie 12 von 34

13 2. Raumakustik Grundbegriffe Absorptionsgrad α Der Absorptionsgrad bestimmt das Verhältnis zwischen Absorption und Reflexion an einer Oberfläche α = 1 bedeutet vollständige Absorption α = 0 bedeutet vollständige Reflexion Der Absorptionsgrad ist frequenzabhängig Absorptionsfläche A A = α * Oberfläche Folie 13 von 34

14 2. Raumakustik Grundbegriffe Impulsantwort Akustische Antwort eines Raumes durch Anregung mittels Schallimpuls Die Impulsantwort ist die akustische Signatur eines raumes Aus der Impulsantwort lassen sich alle Raumakustischen Parameter berechnen Folie 14 von 34

15 3. Raumakustische Modelle Unterteilung in 3 Modelle Wellentheoretische Raumakustik Statistische Raumakustik Geometrische Raumakustik Wellentheoretische Raumakustik ist nur sinnvoll bei Small Room Acoustics Folie 15 von 34

16 3.1. Geometrische Raumakustik Funktioniert bei hohen Frequenzen Schallausbreitung gemäß der Gesetze der Optik Reflexion an jeder Wand und Fläche größer als die Wellenlänge Schalldruck der Reflexion ist abhängig vom Absorptionsgrad α An konkav geformten Reflektoren entstehen gebündelte Reflexionen An konvex geformten Reflektoren entstehen gestreute Reflexionen Folie 16 von 34

17 3.1. Geometrische Raumakustik Aufgrund der Wegunterschiede zwischen Direktschall und Reflektion entstehen Zeitunterschiede Die Anzahl der Reflexionen, die ein Schallstrahl braucht um zum Hörer zu gelangen bestimmt seine Ordnung Im Quaderförmigen Raum 6 Reflektionen pro Ordnung Folie 17 von 34

18 3.1. Geometrische Raumakustik Early Reflection Delay ERD Zeitversatz zum Direktschall der ersten Reflektionen ERD von 0 bis 1 ms sind nicht von dem Direktschall zu unterscheiden Reflexionen von 1 bis 15/20 ms verfärben den Klang besonders stark Reflexionen von 15/20 bis 50/80 ms erhöhen Deutlichkeit und Klarheit der Musik, außerdem entsteht ein akustischer Raumeindruck Reflexionen nach 50/80 ms verringern Deutlichkeit und Klarheit der Musik und Reflexionen sind als Einzelechos hörbar Folie 18 von 34

19 3.1. Geometrische Raumakustik Beispielraum 1: Badezimmer Beispielraum 2: Wohnzimmer Folie 19 von 34

20 3.2. Statistische Raumakustik Nachhallzeit T60 Die Zeit die Ein Schallimpuls braucht um im Raum 60 db an Schalldruck zu verlieren Wichtigste akustische Kenngröße für einen Raum Die Nachhallzeit ist Frequenzabhängig, aber idealerweise Frequenzunabhängig Abhängigkeit vom Absorptionsgrad der betrachteten Frequenz Außerdem abhängig vom Raumvolumen Folie 20 von 34

21 3.2. Statistische Raumakustik Nachhallformel nach Sabine T60 = 0,161 * V/A Folie 21 von 34

22 3.2. Statistische Raumakustik Beispielraum 1: Badezimmer Beispielraum 2: Wohnzimmer Folie 22 von 34

23 4. Da Schallereignisse ohne Raumklang unnatürlich klingen und gut klingende Räume selten sind, wird virtuelle Raumakustik benötigt Analoge Hallgeräte Bevor es Digitale Lösungen gab wurden analoge Geräte eingesetzt (ab 1950) Zum Beispiel Federhall Geräte Unbefriedigende Ergebnisse Groß teuer Folie 23 von 34

24 4. Digitale Hallgeräte Existieren seit Ende der 1970er Jahre DSP mit Algorithmen zur Hallerzeugung Genaue Algorithmen meist geheimnisse der Hersteller Parameter des zu imitierenden Raumes genau einstellbar Werden immer Besser Software Hallgeräte Gibt es seit etwa 1990 Ermöglichen die Effekte von digitalen Hallgeräten in Software Folie 24 von 34

25 4.1. Spiegelschallquellen Verfahren zur Simulation der Akustik Virtueller Räume Für Planung akustisch genutzter Räume und Simulation nicht existierender Räume Reflexionen werden durch Spiegelschallquellen ersetzt Der Abstand der Spiegelquelle entspricht der Laufzeit des reflektierten Schallstrahls Folie 25 von 34

26 4.1. Spiegelschallquellen Spiegelquellen Modell für Rechteckigen Raum Der Raum wird mit der Schallquelle an den Wänden und in den Ecken gespiegelt Der Abstand der Spiegelquelle bestimmt die Ordnung der Reflexion Berechnung der Impulsantwort durch alle Spiegelschallquellen Folie 26 von 34

27 4.2. Faltungshall Faltungshall wird genutzt um mit dem exakten Hallspektrum eines Raumes eine Schallquelle zu verhallen Mittels Faltungshall kann eine Schallquelle so klingen, als wäre es an der Position des Mikrofons und die Schallquelle an der Position des Lautsprechers bei der Messung/Simulation aufgenommen worden Klanglich kaum von einer realen Aufnahme im Raum zu unterscheiden Folie 27 von 34

28 4.2. Faltungshall Faltungshall kann mit gemessenen Impulsantworten von realen Räumen oder simulierten Impulsantworten von virtuellen Räumen angewandt werden Berechnung durch mathematische Faltung Trockenes Signal * Impulsantwort Diskrete Faltung Faltung erfolgt direkt im Ortsraum Nicht praktikabel da zu rechenaufwendig Folie 28 von 34

29 4.2. Faltungshall Schnelle Faltung 1. Trockenes Signal und Impulsantwort mit Fast Fourier Transformationen in den Frequenzbereich umrechnen 2. Resultierende Spektren falten 3. Mit inverser Fast Fourier Transformation zurück in den Ortsbereich umrechnen Folie 29 von 34

30 4.2. Faltungshall Diskrete Faltung pro Minute Stereo bei 44,1 khz Abtastfrequenz und einer 4 Sekunden Impulsantwort: 60 x x 4 x x 2 = Rechenoperationen Schnelle Faltung in der Praxis in Echtzeitanwendungen nur genähert Latenzen bei Echtzeitanwendungen Hohe CPU Belastung Kann nicht manipuliert werden Folie 30 von 34

31 5. Fazit Natürlicher Raumklang durch Faltungshall synthetischem Hall überlegen Faltungshall ist einfach zu verwenden Unzählige Impulsantwortmessungen von bekannten Konzertsälen verfügbar Mit steigender Rechenleistung steigende Möglichkeiten für Faltungshall Folie 31 von 34

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 32 von 34

33 Quellen ugeaudiobearbeitung/v3-hall2.pdf Folie 33 von 34

34 Quellen hamburg.de/~ubicomp/projekte/master2015- gsem/heidtmann/folien.pdf awt/krejci/krejci.pdf Folie 34 von 34