Warum braucht man Schallstreuung?

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1 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens 1 Warum braucht man Schallstreuung? Sebastian Goossens Institut für Rundfunktechnik DE-München

2 2 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens

3 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens 3 Warum braucht man Schallstreuung? 1. Nützliche und störende Reflexionen Die Wahrnehmung der Schallausbreitung in einem Raum ist geprägt vom Direktschall, den Einzelreflexionen sowie dem diffusen Nachhall. Der Nachhall wird als angenehm empfunden, sofern er zum Raum und seiner Nutzung passt. Die ersten Reflexionen (innerhalb der ersten 50 ms) werden z.b. in Unterrichtsräumen als nützlich angesehen, da sie die Lautstärke und die Deutlichkeit von Sprache fördern. Reflexionen können aber auch störend werden, wenn sie z.b. beim Hörer einzeln hörbar werden (Echo), eine unerwünschte Räumlichkeit erzeugen oder Klangverfärbungen hervorrufen. Durch Reflexion an konkaven Flächen (Brennpunktbildung) wird die Schallenergie in bestimmten Bereichen gebündelt, was zu einer ungleichen Pegelverteilung und damit zu einer unerwünschten Ortsabhängigkeit im Raum führt. Mehrfachreflexionen in bevorzugten Richtungen können die Wirkung von vorhandenen Schallabsorbern vermindern und damit zu einem unangenehmen Nachklingen des Raumes führen. Störende Reflexionen sollten natürlich vermindert werden. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Durch geeignete Schallabsorber (z.b. an der Wand) wird dem Schall beim Auftreffen Energie entzogen und in Wärme umgewandelt. Die zweite Möglichkeit ist, durch Schalllenkung bzw. Schallstreuung dem reflektierten Schall eine neue Richtung zu geben und ihn damit vom Hörer wegzulenken. 2. Einfluss der aktuellen Architektur und der modernen Raumgestaltung auf die Akustik In der aktuellen Architektur und modernen Raumgestaltung werden klare Linien, glatte Oberflächen, rechte Winkel und parallele Wände bevorzugt. Das Ideal des papierlosen Büros hat die Bücher- bzw. Aktenregale, die früher als akustische Streukörper wirkten, weitgehend verdrängt. Optische Transparenz und Helligkeit wird in Form von großen Glasflächen angestrebt. Auch im Wohnbereich kommen weniger Vorhänge und Polstermöbel zum Einsatz. Man möchte keine Staubfänger mehr. Statt Teppichboden werden Steinfließen oder Parkett bevorzugt. Diese Entwicklung hat zur Folge, dass bei fertig eingerichteten Räumen kaum mehr Schallstreuung oder Schallabsorption vorhanden ist. 3. Schallabsorption Wunsch und Realität Entsprechend der oben geschilderten Raumästhetik wäre ein hochwirksamer Schallabsorber (mit einem Absorptionsvermögen nahe 100%) ideal, der extrem dünn ist, eine glatte Oberfläche aufweist, abwaschbar und am besten optisch transparent ist. Wenn Schallabsorption gebraucht wird, wird aus genannten optischen Gründen gerne der Einsatz von mikroperforierter Folie (z.b. Microsorber der Firma Kaefer) vorgeschlagen. Diese ist tatsächlich nur 0,1 mm dünn und leicht milchig transparent. Ihr Absorptionsvermögen entfaltet sich je nach Abstand von einer schallharten Fläche (30, 50 oder 100mm) erst bei Frequenzen von 800 Hz bis 2 khz. Die durchschnittlichen Sprachspektren weisen allerdings im Frequenzbereich unter 800 Hz die höchsten Schallpegel auf. Deutlich besser wirken da poröse Schallabsorber (Abb. 1), die bei einer Materialstärke von 10 cm ca. 90% der Schallenergie bei 500 Hz absorbieren. Bei einer optisch transparenten Raumgestaltung (große Glasflächen) wird die nötige Schallabsorption gerne in der Decke versteckt.

4 4 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens 20cm 10cm 5cm 2,5cm Abbildung 1: Absorptionsgrad eines porösen Absorbers (Strömungswiderstand: 7500 Ns/m 4 ) bei verschiedenen Materialstärken d (2,5cm, 5cm, 10cm und 20cm) in Abhängigkeit von der Frequenz 4. Untersuchungen an einer Glaskabine Die Kombination von schallharten Glaswänden und absorbierender Decke kann bei fehlender Schallstreuung bzw. Schall-Lenkung zu unerwarteten akustischen Effekten führen. In Kooperation mit dem BR konnten die Untersuchungen praxisnah an einer Glaskabine durchgeführt werden, die für den Zeitraum der Studie im IRT aufgebaut war. Ihre Wände wurden direkt auf den Büroboden gestellt (punktuell verschraubt). Die Kabine besteht aus 3 Glaswänden in Aluminiumprofilen (inkl. einer Glastür) und einer nicht transparenten Vollwand (Spanplatte mit Melaminharz beschichtet). Die Decke ist Schall absorbierend ausgeführt (Abb. 2). Die Abmessungen der Kabine betrugen 3m*3,3m*2.4m (LxBxH). Abbildung 2: Glaskabine mit drei Glaswänden in Aluminiumprofilen und absorbierender Decke 4.1. Nachhallzeiten Die mittlere Nachhallzeit der leeren Glaskabine mit der absorbierenden Decke (Standard) beträgt t=0.77 sec. Der Verlauf der Nachhallzeit über der Frequenz ist sehr unausgeglichen (Abb. 3). Durch die schallharten Glaswände wird ein inhomogenes Schallfeld erzeugt. Der Schall wird aufgrund fehlender Diffusoren im Raum nur sehr wenig gestreut.

5 Nachhallzeit [s] Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens 5 So kann der Schall z.b. zwischen zwei parallelen Glaswänden mehrfach reflektiert werden, ohne dass er in die absorbierende Decke gelenkt wird. Es entstehen sehr ausgeprägte modale Schallfelder und Flatterechos.Abb.4 zeigt anschaulich die Simulation der Schallausbreitung in einem Rechteckraum bis zur 5. Ordnung der Reflexionen. Quelle und Empfänger sind in der gleichen Höhe angeordnet. Daher ist die bevorzugte Reflexionsebene ebenfalls in dieser Höhe, solange der Schall nicht durch Reflektoren in andere Richtungen gelenkt oder an dieser Stelle absorbiert wird. Für weitere Messungen wurde in die Glaskabine nur eine schräg nach oben geneigte Holzspanplatte (2.5m *1.8m) gestellt. Obwohl diese schallharte schräge Wand keine nennenswerte Absorption einbringt, wird die Nachhallzeit deutlich gesenkt und ist in ihrem Verlauf über der Frequenz ausgeglichener (Abb. 3). Die Schallwellen werden nun stärker gestreut bzw. auch in die Decke gelenkt und dort absorbiert 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 leere Glaskabine schräge Wand Freq. [Hz] Abbildung 3: Gemessene Nachhallzeit in der leeren Glaskabine (ohne Streuung) und mit einer schallharten leicht nach oben geneigten Holzplatte (2,5m x 1,8m) an einer Wand Abbildung 4: Simulation der Schallausbreitung in einem Rechteckraum bis zur 5. Ordnung der Reflexionen. Quelle und Empfänger sind in der gleichen Höhe. Es bildet sich eine bevorzugte Reflexionsebeneheraus.

6 Nachhallzeit [s] 6 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens 4.2. Transparente Diffusoren zur Schallstreuung In der akustischen Planung für Aufnahme- und Regieräume sorgt üblicherweise ein umlaufender Absorberstreifen in Ohrhöhe für die notwendige Unterdrückung der ersten Reflexionen. Um die optische Transparenz der Glaskabine zu erhalten, wurden zur Schallstreuung in Ohrhöhe transparente Reflektoren bzw. Diffusoren eingesetzt Halbzylinder In Vorversuchen hatten sich waagrechte Halbzylinder aus Plexiglas (d=40cm; l = 100cm) bewährt. Fünf dieser Streukörper wurden mit Stahlseilen an den Glaswänden angebracht. Gegenüberliegende Diffusoren werden in der Abhanghöhe gegeneinander versetzt. Dadurch wird die Nachhallzeit deutlich gesenkt (Abb.5). Abbildung 5: Waagrechte Halbzylinder aus Plexiglas (d=40cm; l = 100cm) wurden als Streukörper mit Stahlseilen an den Glaswänden angebracht. 5 Halbzylinder waagrecht leere Glaskabine 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Freq.[Hz] Abbildung 6: Gemessene Nachhallzeit in der leeren Glaskabine und mit fünf waagrecht angebrachten Halbzylindern aus Plexiglas (d=40cm; l=100cm) als Streukörper

7 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens Schräggestellte Plexiglasscheiben Als Alternative zu den Halbzylindern wurden abgehängte und schräggestellte Plexiglasscheiben (40cm x 100cm, Neigung mindestens 10 nach oben) untersucht. Die Nachhallzeit wurde im weiten Frequenzbereich auf das Niveau der Halbzylinder abgesenkt nur unter 300 Hz war die Wirkung etwas schwächer. 5. Geometrische Schallreflexion und Schallstreuung Hinsichtlich der Wirkung von Reflektoren lassen sich drei Fälle unterscheiden Die Abmessungen sind sehr viel größer als die Wellenlänge In diesem Fall lässt sich durch die Ausrichtung des Reflektors der reflektierte Schall gezielt in eine bestimmte Richtung lenken. Wie in der Optik gilt Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel (geometrische Schallreflexion). Abbildung 7: Der Reflektor ist relativ zur Wellenlänge groß; Geometrische Reflexion 5.2. Die Abmessungen sind sehr viel kleiner als die Wellenlänge Der Reflektor ist für den Schall zu klein und wird gar nicht gesehen. Der Schall wird um den Reflektor gebeugt. Die geometrische Reflexion erfolgt an dem nächsten Körper mit der passenden Abmessung (z.b. der Rückwand) D << W D W Abbildung 8: Der Reflektor ist relativ zur Wellenlänge klein; der Reflektor wird ignoriert.

8 8 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens 5.3. Die Abmessungen sind etwa im Bereich der Wellenlänge In diesem Fall gibt es keine geometrische Reflexion, sondern die Schallenergie wird am Reflektor in alle Richtungen gestreut. Abbildung 9: Der Reflektors ist relativ zur Wellenlänge etwa gleich groß; Streuung Die Wellenlängen der für Sprache relevanten Frequenzen umfassen einen sehr großen Bereich. Sie reichen von einigen Metern (z.b. 3,43m bei 100Hz) bis zu wenigen Zentimetern (z.b. 6,9 cm bei 5 khz) Mittelalterlicher Festsaal Die Architektur und Raumausstattung früherer Jahrhunderte ist oft reich an Ornamenten, Skulpturen und fein aufgelösten Strukturen, welche von zahlreichen Handwerkern und Künstlern in langwieriger Arbeit geschaffen wurden. Dadurch entstanden unabsichtlich zahlreiche akustische Streukörper mit einer großen Variation in Form und Abmessung, welche den Schall bei allen möglichen Wellenlängen streuen. Der Festsaal der Wartburg in Eisenach ( ) sei hier als Beispiel angeführt (Abb. 10). Abbildung 10: Der Festsaal der Wartburg in Eisenach ( ) ist reich an akustischen Streukörpern mit einer großen Variation in Form und Abmessung

9 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens Moderner Orchesterprobensaal In heutiger Zeit wird Schall-Lenkung und Streuung bewusster herbeigeführt. Eine Möglichkeit ist im Probensaal des MDR in Leipzig realisiert (Abb. 11): Die Wandfläche wird sozusagen in eine Regalstruktur unterteilt. In die einzelnen Regalfächer werden unterschiedlich geneigte Holzflächen als Reflektoren eingefügt. Somit entsteht eine Streuung und Durchmischung des von der Wand reflektierten Schalls. Abbildung 11: Im Orchesterprobensaal des MDR in Leipzig sorgen unterschiedlich geneigte Holzflächen an der Wand für die nötige Schallstreuung. 6. Flatterecho Flatterechos entstehen, wenn Reflexionen auf einem Weg hin und her laufen. Damit sie vom Ohr als Echo wahrgenommen werden, muss die Länge des Weges mehr als 7m sein. Der einfachste Fall ist das Flatterecho zwischen parallelen Flächen. In Abb. 12 und Abb. 13 ist der Grundriss eines Regieraums dargestellt, in dem ein einfaches Flatterecho zwischen den Längswänden und ein zweites über Reflexionen an den Fenstern aufgetreten sind. Das Flatterecho zwischen den Längswänden konnte durch die Erhöhung der Wandabsorption von 20% auf 85% unterdrückt werden. Um das zweite Flatterecho zu beseitigen, mussten zwei Regiefensterflächen zur Decke geneigt werden. Senkrechte Scheiben = 20% Abbildung 12: Grundriss eines Regieraums mit den Schallstrahlen des Flatterechos zwischen den seitlichen Wänden (grün) und eines zweiten Flatterechos zwischen den senkrechten Scheiben (gelb).

10 10 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens Scheibe schräg = 85% Scheibe schräg Abbildung 13: Grundriss eines Regieraums: nach Erhöhung der seitlichen Absorption und Schrägstellen zweier Regiefensterscheiben waren die Flatterechos beseitigt. Auf der IRT-Seite im Internet kann man sich bei der Demonstration raumakustischer Effekte die Situation mit und ohne Flatterecho im Vergleich anhören. ( 7. Konkav gekrümmte reflektierende Flächen Nach der Erneuerung eines Hörfunk-Sendekomplexes wurden in den Räumen mit konkav gekrümmten Wänden akustische Probleme festgestellt. Die Stimmen der Moderatoren klangen an jedem Mikrofonort im Raum unterschiedlich, was insbesondere beim Überblenden von einem Mikrofon zum anderen sehr auffällig war. Im Planungsteam konnte eine akustisch wirksame und optisch ansprechende Lösung gefunden werden (Abb. 14). Nach oben und unten geneigte Glaselemente wurden von innen vor die konkave Glasfront gesetzt und sorgen für Schall-Lenkung bzw. Streuung. Das Regiefenster zum Nachbarraum ist nach oben geneigt und lenkt den auftreffenden Schall ebenfalls zum Deckenbereich. Abbildung 14: Eine akustisch wirksame und optisch ansprechende Lösung - Nach oben und unten geneigte Glaselemente wurden von innen vor die konkave Glasfront gesetzt und sorgen für Schall-Lenkung bzw. Streuung.

11 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens HDTV-Fernsehstudio mit virtueller Technik HDTV-Fernsehstudios mit virtueller Technik (Green-box oder Blue-box) können nicht mit der in konventionellen Ton- und Fernsehstudios üblichen Raumakustik (Schallabsorber) ausgestattet werden. Die Wände sind schallhart und reflektieren den Schall vollständig. Um den Nachhall im Studio zu vermindern, kann die Decke weitgehend absorbierend ausgestaltet werden. Allerdings bilden sich aufgrund der senkrechten Wände noch Mehrfachreflexionen in der Mikrofonebene aus (siehe Abb. 15), die in der Simulation zu einem störenden Nachklingen führen. Durch eine Wandneigung von wenigen Grad noch oben kann diese Mehrfachreflexion vermieden werden. Abb. 16 zeigt beispielhaft wie die Schallstrahlen aufgrund der Wandneigung nach oben zur absorbierenden Decke geleitet werden. Die Realisierung ist in Abb. 17 zu sehen. Abbildung 15: Bei senkrechten Wänden bilden sich Mehrfachreflexionen aus. Abbildung 16: Durch Schrägstellen der Wände werden die Schallstrahlen zur Decke geleitet. Abbildung 17: Trichterförmig geneigte Wandfläche eines virtuellen HDTV-Studios - Durch Schrägstellen der Wände werden die Schallstrahlen zur Decke geleitet.

12 12 Warum braucht man Schallstreuung? S. Goossens 9. Zusammenfassung Schall-Streuung bzw. Lenkung störender Reflexionen verbessert in der Regel die Akustik, verhindert Flatterechos, wirkt einer störenden Schallenergiekonzentration entgegen und verhilft vorhandenen Schallabsorbern zur vollen Wirksamkeit. Parallele Flächen im Raum ohne zusätzliche raumakustische Maßnahmen (absorbierend, diffus streuend oder mindestens 5 geneigt) sollten vermieden werden. Kreisförmig oder elliptisch gekrümmte, konkave Flächen bündeln den Schall, bilden Brennpunkte und sollten ohne ergänzende raumakustische Maßnahmen vermieden werden. Konvexe Flächen hingegen streuen den Schall, fördern damit den diffusen Schall und wirken positiv. Die Abmessung eines Reflektors relativ zur Wellenlänge des Schalls entscheidet darüber, ob der Reflektor geometrisch reflektiert (D>> ), von der Schallwelle ignoriert wird (D << ) oder den Schall in alle Richtungen streut (D= ). Die Wellenlängen des für Sprache relevanten Frequenzbereichs umfassen einen großen Bereich. Sie reichen von einigen Metern (z.b. 3,42 m bei 100 Hz) bis zu wenigen Zentimetern (z.b. 6,9 cm bei 5 khz).