Planung und Ausführung der Beschallungsanlage für einen großen Hörsaal (Design and implementation of a PA system for a large lecture auditorium)

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1 Planung und Ausführung der Beschallungsanlage für einen großen Hörsaal (Design and implementation of a PA system for a large lecture auditorium) Anselm Goertz Institut für Akustik und Audiotechnik IFAA, Germany, anselm.goertz@ifaa-akustik.de Kurzfassung Hörsäle von Hochschulen werden heute in vielfältiger Weise genutzt. Das Spektrum reicht von multimedial gestalteten Vorlesungen, über Tagungsbetrieb und Kino bis hin zu Konzerten aller Sparten. Aus akustischer Sicht gilt es dann eine Reihe auch teilweise zueinander widersprüchliche Anforderungen zu erfüllen. Die Kernkompetenz eines Hörsaales ist die gute Sprachverständlichkeit, die für ein unangestrengtes, langes und aufmerksames Zuhören hohen Ansprüchen genügen muss. Ist der Saal sehr groß und soll trotzdem mit seinen raumakustischen Eigenschaften auch für Konzerte klassischer Musik genutzt werden, dann entsteht hieraus ein Konflikt, der sich über eine entsprechende Beschallungsanlage zumindest teilweise lösen lässt. Der Vortrag behandelt zunächst einige Grundlagen zum Thema. Die praktische Vorgehensweise der Planung und Umsetzung wird dann anhand eines großen Audimax mit über Sitzplätzen vorgestellt. Die Planung erfolgte auf Basis zahlreicher Simulationen. Die nach der Installation durchgeführten Messungen zur Inbetriebnahme der Anlage ermöglichen einen direkten Vergleich mit den vorher in der Simulation berechneten Parametern. 1. Einleitung Dieser Beitrag befasst sich mit der Planung und Realisation einer neuen Beschallungsanlage für einen ungewöhnlichen Hörsaal. Das mit über Sitzplätzen sehr große Audimax wurde ursprünglich unter raumakustischen Aspekten als Konzert- und Festsaal geplant und sogar mit einer Konzertorgel ausgestattet. Die aktuell große Anzahl Studierender an den Hochschulen erfordert es nun, auch diesen Saal in seinem eigentlichen Sinne als Hörsaal zu nutzen. Daraus leitet sich die Anforderung nach einer guten Sprachverständlichkeit ab, die auch über mehrere Stunden ein konzentriertes Zuhören leicht ermöglichen sollte. Eine für die ursprüngliche Anwendung angepasste mittlere Nachhallzeit von 2,5 s steht dem allerdings deutlich im Wege. Änderungen an der Raumakustik schließen sich jedoch aus, da auch weiterhin die Nutzung als Konzertsaal geplant ist. Mit Hilfe entsprechender Beschallungstechnik sollte es daher ermöglicht werden eine hinreichende Sprachverständlichkeit zu erzielen. Die Anforderungen an die akustische Qualität der Beschallungsanlage leiten sich aus der DIN [3] und EN [1] her. In der DIN wird für Auditorien eine Sprachverständlichkeit von STI 0,56 gefordert. Die EN empfiehlt für Hörsäle die Kategorie D, mit einem STI Nennwert von 0,62. Bei letzterem ist der STI Wert über eine flächendeckende Berechnung als Mittelwert zu bestimmen. Ansonsten gilt für die STI Berechnung über einer Fläche der Mittelwert abzüglich der Standardabweichung. Eine Nutzung des Audimax ohne Lautsprecherunterstützung ist wegen der Größe des Saales nicht vorgesehen. Die Beschallungsanlage ist nicht Bestandteil einer Sprachalarmanlage. Trotzdem wird es bei der Auswertung der Ergebnisse einige Anlehnungen an Normen aus dem Bereich der Sprachalarmierung [2][6] geben. Bevor die eigentliche Planung der Lautsprecheranlage erläutert wird, gilt es zunächst einige Grundlagen zum Thema Sprachverständlichkeit und deren messtechnischer Bewertung zu betrachten. 2. Sprachverständlichkeit und STI Der Messwert des STI (Speech Transmission Index) versucht als Einzahlparameter den gesamten Sachverhalt der Sprachverständlichkeit in einem einfach zu interpretierenden Wert zwischen 0 und 1 darzustellen. In der Praxis sind Werte zwischen 0,35 (quasi unverständlich) bis 0,75 (sehr gut verständlich) üblich. Der kleine Wertebereich und der komplexe Hintergrund mit vielen Einflussgrößen macht die Interpretation daher nicht immer ganz einfach und manchmal auch widersprüchlich zur subjektiven Wahrnehmung. Um die Grundlagen des STI zu erklären, müssen zunächst die Einflussgrößen und Parameter auf die Sprachverständlichkeit betrachtet werden. Aus eigener Erfahrung weiß man, wie sich Störpegel und Nachhall negativ auswirken können. In einer lauten Umgebung wird die Verständlichkeit schnell schlechter bis zur völligen Unverständlichkeit. Starker Nachhall wirkt sich ebenfalls ungünstig aus und kann bereits über eine Distanz von nur wenigen Metern eine Verständigung trotz hinreichenden Pegels unmöglich machen. Eine weitere Einflussgröße ist der Sprachpegel als solches. Wird Sprache zu leise, oder ist die Hörfähigkeit eingeschränkt, dann fallen abhängig vom Pegel Anteile unter die Hörschwelle und reduzieren somit die Verständlichkeit. Weniger bekannt dagegen ist die andere Seite der Pegelskala, wo bei hohen und sehr hohen Pegeln die Sprachverständlichkeit ebenfalls nachlässt. Aus Sicht der Psychoakustik steht hier der so genannte Maskierungseffekt dahinter. Laute tieffrequente Anteile in

2 der Sprache verdecken durch die Maskierung leisere höherfrequente Laute und verhindern so deren Wahrnehmung. Anschaulich dargestellt wirkt sich die Maskierung durch ein besonders lautes Frequenzband als verschlechterter Störabstand für die darüber liegenden Frequenzbänder aus. Relevant wird dieser Effekt für Pegel ab ca. 80 dba. Bezeichnet wird der Effekt auch als Selbstmaskierung, da die Ursache der Maskierung nicht von außen kommt sondern im Sprachsignal selber begründet ist. Abb. 2.1 zeigt anschaulich die Abhängigkeit der Verständlichkeit vom Sprachsignalpegel, unter ansonsten idealen Voraussetzungen ohne Störpegel und ohne Nachhall oder Echos für normal hörende Personen. Kommt ein Hörschaden hinzu, dann verschiebt sich die untere Flanke hin zu höheren Pegeln und je nach Art des Schadens die obere zu niedrigeren Pegelwerten hin. Ideal für die Verständlichkeit ist ein Pegel zwischen 55 und 80 dba, wo auch die normale bis gehobene Sprechlautstärke liegt. Es kommt jedoch häufig vor, dass ein vor Ort vorhandener hoher Störpegel wesentlich höhere Sprachsignalpegel erzwingt. Als extremes Beispiel seien Straßentunnel genannt, die aus akustischer Sicht direkt in mehrfacher Hinsicht äußerst kritisch sind, wo Störpegel von bis zu 95 dba anzutreffen sind. Möchte man den Sprachsignalpegel deutlich darüber heben, dann werden Pegel in der Größenordnung von 105 dba erforderlich. Bei diesen Werten wirkt sich die Maskierung sehr stark aus, womit eine ohnehin schon kritische Situation noch schwieriger wird. einem Störabstand von 15 db abzulesen. Die Grafik vereinfacht jedoch einen eigentlich komplexeren Zusammenhang. Streng betrachtet dürfen nicht pauschal die Summenpegel verglichen werden. Stattdessen wäre für jedes Oktavband separat der Störabstand zu betrachten. Die Grafik geht somit von der Vereinfachung aus, dass der auf der x- Achse aufgetragene Störabstand in allen Oktavbändern gilt. Abb. 2.2 STI-Wert in ausschließlicher Abhängigkeit vom Störabstand (S/N). Ab 15 db in allen Frequenzbändern gibt es keinen negativen Einfluss mehr. Betrachtet man ein Sprachsignal aus Sicht der Signaltheorie, dann gibt es die spektrale Zusammensetzung und die Modulation. Die spektrale Zusammensetzung zeigt, wie stark einzelnen Frequenzbänder, also z.b. Oktav- oder Terzbänder, in einem Signal vertreten sind und die Modulation stellt die Hüllkurve des Signals dar. Abb. 2.1 STI-Wert in ausschließlicher Abhängigkeit vom Sprachsignalpegel. Unterhalb von 55 dba verschlechtern sich die STI Werte durch den Einfluss der Hörschwelle, wo leise Anteile bereits nicht mehr wahrgenommen werden. Oberhalb von 80 dba setzt eine Verschlechterung durch den Maskierungseffekt ein. Optimal ist die Sprachverständlichkeit für Pegelwerte zwischen 55 und 80 dba. Je nach Situation gilt es daher einen optimalen Kompromiss zwischen Signal und Störpegel und der möglichen Auswirkung der Maskierung zu finden. Wie sich der Störpegel separat betrachtet auswirkt, zeigt Abb Die Kurve wurde berechnet für 65 dba Signalpegel und somit ohne Maskierung. Alle anderen Randbedingungen waren wiederum optimal. Bei 0 db Störabstand wird dann ein STI Wert von 0,5 erreicht. Der perfekte Wert von 1 ist erst bei Abb. 2.3 Mittlere spektrale Verteilung nach [1] für einen männlichen Sprecher (rot) und eine weibliche Sprecherin (blau). Ein wesentlicher Unterschied und Vorteil für die weibliche Sprecherin liegt im fehlenden 125 Hz Oktavband. Abb. 2.3 zeigt den primären Unterschied zwischen männlichen und weiblichen Stimmen. Ein wesentlicher Unterschied und auch Vorteil für die weibliche Sprecherin liegt im fehlenden 125 Hz Oktavband. Sprachkonserven arbeiten daher meist auch mit Frauenstimmen, weil diese besser verständlich sind. Abb. 2.4 stellt einen Ausschnitt aus einem Sprachsignal und die darin enthaltene Modulation dar. Diese wird von Modulationsfrequenzen im Frequenzbereich bis ca. 16 Hz

3 bestimmt. Interessant ist die Modulation vor allem deswegen, weil der Informationsgehalt in der Sprache primär über die Modulation übertragen wird. D.h., wenn man weiß, wie gut die Modulation bei der Übertragung z.b. über eine Lautsprecheranlage erhalten bleibt, dann lässt sich auch eine konkrete Aussage über die Sprachverständlichkeit treffen. Abb. 2.4 Ein typisches Sprachsignal mit seiner Modulation. Ein wichtiger Teil des Informationsgehaltes der Sprache wird über die Modulation übertragen. Wie sich Störpegel oder Nachhall auf die Hüllkurve auswirken, wird in Abb. 2.5 deutlich. Die rote Kurve mit einem Störpegel 6 db unter dem Signalpegel erreicht noch einen STI-Wert von 0,7. Die grüne Kurve wird durch den Nachhall noch wesentlich stärker gestört und kommt gerade noch auf einen STI-Wert von 0,35. werden insgesamt 14 Frequenzen von 0,63 Hz bis 12,5 Hz bewertet. Daraus ergeben sich insgesamt 98 Kombinationen. Wie diese genau in die Bewertung einfließen soll hier nicht näher betrachtet werden, findet sich aber detailliert in der EN [1] und [4]. Die Grundlage für die Bewertungen entstammen den wissenschaftlichen Arbeiten von Houtgast und Steeneken der 70er und 80er Jahre aus dem niederländischen Labor TNO, wo in groß angelegten Versuchsreihen die Zusammenhänge zwischen Messwerten und Ergebnissen aus Hörversuchsreihen hergestellt wurden. 3. Raumakustik Abhängig von der Größe und der Nutzung eines Raumes gibt die DIN [3][5] Empfehlungen für die anzustrebende Nachhallzeit. Ist der Raum zu trocken, klingt Musik unter Umständen nicht mehr wie gewünscht, ist der Raum zu hallig, dann verschlechtert sich die Sprachverständlichkeit. Das hier aufgeführte Audimax liegt mit einem Volumen von m³ an der oberen Grenze dessen, wo die DIN noch Aussagen macht. Berechnet man mit den hier angegebenen Formeln den Wert für Unterricht, dann ergibt sich daraus eine anzustrebende mittlere Nachhallzeit von 1,27 s m³ T soll = 0,32 log 0,17 s = 1, 27s (1) m³ Für Musik liegt der Wert mit 2,1 s deutlich höher. Im betreffenden Saal sind es, vermutlich im Hinblick auf die Konzertorgel, sogar 2,5 s, wie die Messung aus Abb. 4.3 zeigt. Abb. 2.5 Hüllkurve eines ungestörten Sprachsignals (blau), die durch ein Störgeräusch (rot) und durch Nachhall (grün) beeinflusst wird. Beides verschlechtert die Sprachverständlichkeit. Für eine mögliche Messung oder Berechnung des STI bedeutet das, den Verlust an Modulationstiefe in einem Signal zu ermitteln. Hier genügt es aber nicht nur einen breitbandigen Wert zu bestimmen. Stattdessen muss nach Frequenzbändern und Modulationsfrequenzen unterschieden werden, um diese ihrer Bedeutung gemäß für die Sprachverständlichkeit zu bewerten. Bei den Frequenzbändern sind die sieben Oktavbänder von 125 Hz bis 8 khz relevant und bei den Modulationsfrequenzen Abb. 3.1 Optimale Werte der mittleren Nachhallzeit in Abhängigkeit vom Raumvolumen und der Nutzung [3]. Für den hier betrachteten Audimax mit m³ Volumen liegt der Wert für Musik(grün) bei 2,1 s und für Unterricht(rot) bei 1,27 s. Eine hypothetische Lösung für beide Arten der Nutzung wäre eine variable Raumakustik, z.b. durch drehbare Wandelemente oder auch mit Hilfe einer elektroakustischen Nachhallzeitverlängerung. Eine einfache und kostengünstige Alternative besteht darin, die Lautsprecheranlage so auszulegen, dass durch eine stark richtende Beschallung sehr viel Direktschall in Relation zum Diffusfeld des Raumes bei den Zuhörern ankommt. Gelingt es die Beschallung konzentriert auf das gut absorbierende Publikum auszurichten, dann wird der Nachhall des Raumes nur

4 vergleichsweise wenig angeregt und die Verständlichkeit somit verbessert. Einer der wichtigsten Aspekte bei der Planung der Lautsprecherkonstellation ist daher deren Richtverhalten. 4. Beispiel Audimax 4.1. Modellbau und Anpassung Für den Entwurf komplexer Lautsprecheranlagen in großen Räumen kann die Planungssicherheit durch Computersimulationen deutlich erhöht werden. Moderne Simulationssoftware und leistungsfähige Rechner bieten heute viele Möglichkeiten der Planung und Vorhersage der Ergebnisse. Wie auch in anderen Bereichen gilt jedoch, dass die Vorhersage immer nur so gut sein kann wie die dafür verwendeten Ausgangsdaten. In diesen Fall bedeutet das den Raum von seiner Geometrie und seinem raumakustischen Verhalten so gut wie möglich und so genau wie nötig zu erfassen. schlichtweg unbekannt in ihrem akustischen Verhalten sind. So ist im betreffenden Audimax mit einem erheblichen Flächenanteil eine stark gepolsterte Bestuhlung eingebaut, von der keine konkreten Werte vorliegen. Als Startwert kann dann aus einer Datenbank eine ähnliche Bestuhlung gewählt werden, deren Werte im zweiten Schritt angepasst werden. Für eine erste schnelle Anpassung des Modells eignen sich Berechnungen der Nachhallzeit nach Sabine oder Eyring. Genauere Werte können über eine simulierte Nachhallzeitmessung im Modell mit einer Kugelschallquelle nach der Spiegelquellen und Strahlenverfolgungsmethode (AURA) ermittelt werden. Abb. 4.2 Simulationsmodell des Audimax mit eingezeichneten Projektionslinien. Als weiterer rein praktischer Aspekt, können im Modell noch mögliche Projektionsflächen und Strahlen eingezeichnet werden, die für die Positionierung der Lautsprecher als Hilfsmittel nützlich sind. Abb. 4.1 Blick vom Regieplatz in das zu beschallende Audimax mit ausgefahrener Mittenleinwand Bereits existierende und fertig gestellte Räume haben an dieser Stelle den großen Vorteil, dass mit Hilfe einer einfach und schnell durchzuführenden Nachhallzeitmessung, der wichtigste raumakustische Parameter bestimmt werden kann. Das Simulationsmodell kann anschließend über die normalen Materialdaten hinaus an die gemessenen Werte angepasst werden. Bei der geometrischen Nachbildung eines Raumes sollten alle akustisch relevanten Bereiche und Teile berücksichtigt werden. Zu viele Details sind jedoch zu vermeiden, da Modelle mit sehr vielen Flächen die Rechenzeiten erhöhen. Das in Abb. 4.2 gezeigte Modell des Audimax erreicht mit ca. 700 Flächen einen guten Kompromiss zwischen Detailtreue und Komplexität. Neben der Anpassung der Nachhallzeit spielt auch die Verteilung der Absorberflächen im Modell eine wichtige Rolle. Allen Flächen im Modell sollten zunächst möglichst gut passende Materialwerte aus den Datenbanken [5] zugeordnet werden. Typischer Weise liegt die dann im Modell berechnete Nachhallzeit noch über den gemessenen Werten, da es häufig Flächen gibt, die nicht genau durch die Materialdaten nachgebildet werden können oder eben Nachhallzeit T in s 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Frequenz f in Hz MW Min Max MW mit LW Abb. 4.3 Gemessene Nachhallzeit des Audimax im umbesetzten Zustand (rot). In blau die Kurve mit ausgefahrener Leinwand. Neben der Raumakustik ist für die Planung einer Lautsprecheranlage der mögliche Störpegel ein zweiter wichtiger Aspekt, der niemals außer Acht gelassen werden darf. Genauer betrachtet, ist es nicht der Störpegel alleine, sondern immer das Verhältnis von Nutzsignal- zum Störsignalpegel. Konkrete Aussagen sind beim Thema Störpegel oft schwierig, da sowohl der zeitlich Verlauf wie auch die spektrale Zusammensetzung meist stark schwankend sind. Für ein Audimax kann das bedeuten, dass

5 sich die Zuschauer dezent unterhalten oder, je nach Anlass, lautstark Ihre Meinung äußern. Geht es, wie hier um eine Prognose für den Vorlesungsbetrieb, dann trifft typischerweise das erst genannte zu. Für das Störgeräusch im Audimax wurde daher angenommen, dass sich 1000 Personen mit einem Schallleistungspegel L W von je 70 db dezent unterhalten. Zusammen mit der spektralen Verteilung eines männlichen Sprechers [1] sowie der Nachhallzeit T und dem Raumvolumen V berechnet sich daraus ein Diffusfeld Summenpegel von 65 dba. V LPdiff = LW + 10 log( Anzahl) log (2) T Bei einem Störpegel von 65 dba oder weniger kann ohne signifikanten Verlust in der Sprachverständlichkeit durch den Signal-Störabstand und durch den Maskierungseffekt ein Sprachsignalpegel von 80 dba angenommen werden. Alle Berechnungen zur Sprachverständlichkeit erfolgen daher im Weiteren für einen Störpegel von 65 dba und einen Sprachsignalpegel von ca. 80 dba. 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 L diffus 63,4 63,1 63,1 63,3 63,0 63,0 59,4 59,7 60,6 L diffus 54,6 54,8 54,4 48,0 48,0 47,7 40,9 40,1 39,1 31,9 31,1 30, Sum Z Sum A 72,15 65,65 Unter dem Aspekt der Größenordnung des Audimax mit maximal Zuschauern sowie den hier für Sprach- und Musikwiedergabe geforderten Pegelwerten, fiel eine Vorauswahl auf die Line-Arrays. Bei der Auswahl des Lautsprechermodells waren folgende Gesichtpunkte relevant: - Ein dezentes Erscheinungsbild mit möglichst schmaler Bauform - Ein geringes Gewicht und eine maximale lichte Länge der Arrays von 1,2 m - Die einfache passive Ansteuerung mit Senseleitungen für große Leitungslängen - Exzellente klanglich Eigenschaften Die Aufteilung und Positionierung der Lautsprecher erfolgte unter der Vorgabe der Möglichkeit einer nutzungsabhängigen selektiven Beschallung des Audimax in drei Bereichen entsprechend Abb. 4.7: - Kernbereich (Main) (immer aktiv) mit Block A,B,C,J,K - Oberrang (Delay) (durch Vorhang bei Nichtbenutzung abgetrennt) mit Block L,M,N - hinterer Bereich (Back) (nur bei nicht genutzter Mittenleinwand) mit Block D,E,G,H Zur Beschallung dieser Bereiche werden insgesamt acht Line-Arrays eingesetzt. Drei für den Kernbereich, drei für den Oberrang und zwei für den hinteren Bereich. Die genaue Position der Line-Arrays wird durch die im Dach möglichen Hängepunkte definiert. Die Line-Arrays für den Kernbereich und für die hinteren Bereiche sind mit je sechs Einheiten bestückt, die für den Oberrang mit je vier. Abb. 4.4 Störpegelabschätzung durch ca sich dezent unterhaltende Personen mit einem Schallleistungspegel von je 70 db Lautsprechertypen und Positionen Die Randbedingungen für das Beschallungskonzept des Audimax werden durch die Lautsprecherpositionen sowie durch die Projektions- und Sichtlinien zu beiden Leinwänden vorgegeben. Die möglichen Montagepunkte befinden sich daher in einer Höhe von ca. 13 m über dem Boden. Um trotzdem noch eine möglichst gezielte Beschallung der Publikumsflächen zu erreichen, ohne dabei den Raum zu sehr anzuregen, sind stark richtende Lautsprecher erforderlich, die sich möglichst auch noch an die gegebenen Verhältnisse anpassen lassen. Diese Voraussetzungen werden grundsätzlich von zwei Lautsprecher Prinzipien annähernd gut erfüllt. Das sind zum einen DSP-gesteuerte Lautsprecherzeilen und alternativ dazu Line-Array Systeme. Das Abstrahlverhalten der DSP-Zeilen wird elektronisch mit Hilfe von Filtern eingestellt, das der Line-Arrays über die Anzahl und das Curving der Elemente. Abb. 4.5 Drahtgittermodell mit den acht Line-Arrays und deren Ausrichtung (die rosa Linien zeigen die Mittelachsen der Flugrahmen) Das Curving und die Ausrichtung der Line-Arrays erfolgen im ersten Schritt anhand der Direktschallabdeckung bei mittleren und hohen Frequenzen für die Oktavbänder von 1,

6 28th TONMEISTERTAGUNG VDT INTERNATIONAL CONVENTION, November und 4 khz. Als Anregungssignal wurde dabei ein Pinknoise genutzt. sicherste Vorhersage für die Beschallungsparameter zu erhalten, wurden die Berechnungen mit Hilfe des EASE Aura-Moduls unter Anwendung des SpiegelschallquellenStrahlverfolgungsalgorithmus durchgeführt. Für die Berechnungen müssen die Lautsprecherparameter wie Frequenzgang und richtungsabhängiges Abstrahlverhalten dem Programm zur Verfügung gestellt werden. Diese Daten lagen für die in der Simulation eingesetzten Lautsprecher seitens des Herstellers in hoher Auflösung vor. Die Berechnungsparameter wurden so gewählt, dass mit möglichst hoher Genauigkeit bei dennoch begrenzter Rechenzeit ein Ergebnis erzielt wurde. Die algorithmischen Möglichkeiten des Simulationsprogramms wurden dabei bis an die Grenzen ausgenutzt. Abb. 4.6 Blick in den Saal mit den installierten Arrays. Die Hauptlautsprecher (rot) sind mit je sechs Einheiten ausgestattet, die für die hinteren Bereiche (gelb) ebenfalls. Die drei Delay Systeme (grün) für die oberen Publikumsblöcke bestehen aus je vier Einheiten. Abb. 4.7 Grundriss des Saals mit Blöcken. Kernbereich: A,B,C,K,J Hintere Bereiche: D,E,G,H (nicht für Vorlesungen) Obere Bereiche: L,M,N Die oberen Bereiche können bei Nichtnutzung durch einen Vorhang (gelb) abgetrennt werden. Die rot eingerahmten Plätze sind separate Hörsäle außerhalb des Audimax Simulationsergebnisse Die Simulationsrechnungen wurden mit dem Programm EASE in der Version 4.4 durchgeführt. Das Programm erlaubt die Berechnung der Sprachverständlichkeit sowohl nach statistischen Verfahren als auch nach dem erheblich genaueren Verfahren der Spiegelschallquellen und Strahlverfolgungsmethode (in EASE als AURA Modul bezeichnet). Um nach derzeitigem Stand der Technik die Simulationsergebnisse sind nur dann aussagekräftig, wenn alle Parameter für die Berechnung bekannt sind. Für die hier durchgeführten Simulationen ist zu unterscheiden zwischen der reinen Direktschallberechnung und den Aura Simulationen. Bei den Direktschallberechnungen wurde auf den Hörerflächen in 1,2 m Höhe über dem Boden mit einer Auflösung von 1 m entsprechend 1774 Positionen hoch aufgelöst gerechnet. Als Anregungssignal für die Direktschallberechungen wurde ein Pinknoise eingesetzt. Abb. 4.8 Direktschallpegelverteilung für die Oktavbänder von 1, 2 und 4 khz bei Anregung mit einem Pinknoise Signal. Separate Beschallung der Bereiche Kern, Oberrang und Hinten sowie Komplettbeschallung. Für die Aura Simulationen wurde ein 2 m Raster genutzt. Da der Raum über eine Symmetrieebene verfügt, wurden zudem nur die Hörerflächen einer Seite berechnet. Selbstverständlich waren dabei die Lautsprecher beider Seiten aktiv. Die Anzahl der berechneten Positionen lag bei 276. Folgende Berechnungsparameter wurden benutzt: - Number of Particles: EASE Aura Wizard: Fast mit Length: EASE Aura Wizard: Fast mit ms - Absorption Model: Standard mit 20% default Scattering

7 Für das Anregungssignal wurde bei der Aura Methode das Spektrum eines männlichen Sprechers und ein Crestfaktor des Signals von 12 db eingestellt. Die so berechnete Gesamtschallpegelverteilung zeigt Abb Der räumlich gemittelte A-bew. Summenpegel liegt bei 81 dba. Die Verteilung ist entsprechend der Distributionsgrafik sehr gleichmäßig. In der Praxis bedeutet das, es gibt nur geringe Pegelschwankungen zwischen den Plätzen. geringeren Störpegeln und auch von geringeren Sprachsignalpegeln auszugehen. Abb. 4.9 Gesamtschallpegelverteilung als A-bew. Summenpegel beim Betrieb der kompletten Anlage mit einem Sprachsignal mit 12 db Crestfaktor. Für eine Auslastung der Anlage mit 20 db Reserve wird ein mittlerer Pegel von 81 dba erreicht. In dieser Einstellung verfügt die Anlage noch über einen Headroom von 29 db. Für ein Signal mit 12 db Crestfaktor bedeutet das noch eine Reserve von ca. 20 db. Sprachsignale könnten somit unverzerrt und ohne Kompression mit einem Pegel von bis zu 101(!) dba wiedergegeben werden. Aus der Vielzahl der durchgeführten Simulationen sollen zwei Beispiele der Berechnung für die Sprachverständlichkeit gezeigt werden. Zum einen für den Vorlesungsbetrieb bei Nutzung und kompletter Besetzung des Kernbereiches und des Oberranges. Die Abhängigkeit vom Besetzungsgrad ist für das Audimax relativ gering, da schon die unbesetzte Bestuhlung mit kräftiger Polsterung als solches hoch absorbierend ist. Abb zeigt das Ergebnis als Mapping auf den Hörerflächen und als Verteilungsfunktion. Der STI Mittelwert liegt bei 0,63 und die Standardabweichung bei 0,04. Die angestrebten Werte werden somit erreicht. Beide Werte wurden ohne den Einfluss von Maskierung und Störpegel berechnet. Zieht man beides mit in Betracht für 65 dba Störpegel und 81 dba Sprachsignalpegel, dann werden Werte von 0,61 und 0,03 erreicht. Für eine normale Vorlesung ist von Abb Mapping (oben) und Distribution(Mitte) der STI-Werte im Vorlesungsbetrieb mit Oberrang. Der STI Mittelwert liegt bei 0,63 und die Standardabweichung bei 0,04. Berücksichtigt man noch einen Störpegel von 65 dba und die Auswirkungen der Maskierung (unten), dann liegen der Mittelwert bei 0,61 und die Standardabweichung bei 0,03. Alle Werte gelten für einen besetzten Saal. Abb STI-Werte beim Betrieb der kompletten Anlage im leeren Saal. Diese Worst Case Betrachtung dient zum Vergleich mit den Messwerten im leeren Saal.

8 4.4. Messungen nach dem Einbau Nach erfolgtem Einbau wurde eine komplette Messung zum Funktionstest und zur Optimierung der Anlage durchgeführt. Im ersten Durchgang wurden die Lautsprecher für die jeweiligen Bereiche an vielen Positionen im Publikum gemessen und anschließend über die diese Positionen energetisch gemittelt. Abb zeigt ein Beispiel für Block A, wo aus der gemittelten Kurve eine EQ-Funktion abgeleitet wurde. Nach der Einzelmessung und individuellen Filtereinstellung wurden noch alle Bereiche im Pegel exakt zueinander angeglichen (siehe Abb. 4.13). Abb Ergebnisse der Einmessung für den Block A. In rot der energetisch gemittelte Verlauf aus vielen Messpositionen. In grün die daraus abgeleitete Filterkurve und in blau das Ergebnis mit Filterung. Der Einbruch knapp oberhalb von 200 Hz entsteht durch die Bodenreflexionen für das Messmikrophon in Ohrhöhe. Abb Gemittelte Frequenzgänge aller Blöcke nach der Einmessung und Einstellung der daraus abgeleiteten Filter. Die Filter wurden im DSP-System der Anlage gesetzt. Als finale Messreihe erfolgte eine Messung der Sprachverständlichkeit beim Betrieb der kompletten Anlage für alle Bereiche. Über 156 Messpositionen wurde ein STI Mittelwert von 0,58 bei einer Standardabweichung von 0,03 ermittelt. Die entsprechende Simulation für diesen Worst Case Zustand ohne Publikum mit kompletter Beschallung ergab Werte von 0,58 und 0,04 und zeigt somit eine hohe Übereinstimmung mit der Realität. 5. Fazit Dieser Beitrag zeigt den Verlauf der Planung, Installation und Prüfung für eine Beschallungsanlage auf. Nach einer ersten Anforderungsanalyse werden zunächst die akustischen Randbedingungen mit der Nachhallzeit und dem Störpegel festgelegt. Darauf basierend wird das Simulationsmodell erstellt. Im Modell wird dann das Lautsprecherkonzept unter Berücksichtigung möglicher Lautsprecherpositionen und anderer Randbedingungen wie Projektion, Architekturvorgaben, Deckenlasten etc. entworfen. In einem ersten Rechenschritt gilt es die Direktschallpegelverteilung zu prüfen und bei Bedarf zu optimieren. Angestrebt ist immer die möglichst Ziel gerichtete Beschallung des Publikums ohne dabei den Raum unnötig anzuregen. Der zweite Schritt in der Simulation mit der aufwändigeren Spiegelquellen und Strahlenverfolgungsmethode betrachtet die Pegelwerte und die Verteilung für den Gesamtschall mit einem Sprachund/oder Musiksignalspektrum. Aus dieser Berechnung lassen sich auch die zu erwartenden Werte der Sprachverständlichkeit ableiten. Entscheidend für die Aussagekraft der Simulationen sind dabei die Parameter der Teilchenzahl, die berechnete Länge der Impulsantworten, die Anzahl der berechneten Positionen, respektive des Rasters und das verwendete Anregungssignal, dessen spektrale Verteilung und dessen Crestfaktor angegeben werden sollten. Wird die Anlage wie geplant realisiert, dann können durch eine Einmessung noch weitere Optimierungen durch Filter-, Delay- und Pegeleinstellungen vorgenommen und die Ergebnisse mit den Vorhersagen der Simulationen verglichen werden. 6. Literatur [1] IEC Elektroakustische Geräte Objektive Bewertung der Sprachverständlichkeit durch den Sprachübertragungsindex [2] DIN VDE Anhang G Messverfahren zur Bestimmung des Sprachübertragungsindex STI [3] DIN Mai 2004 Hörsamkeit in kleinen bis mittelgroßen Räumen [4] Stefan Weinzierl Handbuch der Audiotechnik Springer Verlag Berlin/Heidelberg 2008 [5] W.Fasold und E.Veres Schallschutz + Raumakustik in der Praxis Verlag für Bauwesen, Berlin 1998 [6] Andreas Simon Fachkraft für Sprachalarmanlagen nach DIN Hüthig & Pflaum Verlag München/Heidelberg 2014