Die Akustik des Kammermusiksaals

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1 Die Akustik des Kammermusiksaals Prof. Dr.-Ing. Hans Goydke E-GP WS 2008/09 MUSIKUS Louis Spohr Saal INST. F. BAUGESTALTUNG TU-BS PROF. G. WAGNER

2 Brahmssaal des Wiener Musikvereins 1992 wiederhergestellt (32,5 m lang, 10,30 m breit, 11 m hoch)

3 Kammermusiksaal des Berliner Konzerthauses

4 Kammermusiksaal Wellington, NZ (300 Plätze)

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6 Nachhallzeit in Abhängigkeit von der Frequenz 1) besetzt 2) unbesetzt Kammermusiksaal des Schauspielhauses Berlin 440 Sitzplätze; 2100 m 3 Volumen; Länge/Breite/Höhe: 13 m/8 m/8m k = 2100/440 = 4,8 m 3 /Pl. (optimal wären 6 bis 10 m 3 /Pl.)

7 De Doelen Kammermusiksaal Rotterdam 604 Sitzplätze 4040 m 3 Volumen 1,2 s Nachhallzeit

8 Kammermusiksaal im Neues Gewandhaus Leipzig (relativ große Breite von ca. 40 m!)

9 Mozartsaal der Liederhalle Stuttgart 800 Sitzplätze 5500 m 3 1,7 s Nachhallzeit (Saal besetzt)

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12 Kammermusiksaal Philharmonie Berlin 1064 Sitzplätze m3 1,8 s Nachhallzeit

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14 Grundlagen der Raumakustik

15 Erzeugung von Luftschall und von Körperschall

16 Erzeugung von Luftschall durch eine Stimmgabel erhöhter Druck erniedrigter Druck

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18 Bei Luftschall handelt es sich um Luftdruckschwankungen, die dem statischen atmosphärischen Druck überlagert sind.

19 Schalldruck

20 Die Schalldruckamplitude wird physikalisch in Pascal (Pa) bestimmt. Weltweit einheitlich gibt man die Stärke von Schallsignalen jedoch in db (dezibel) an. Dies ist ein logarithmisches Maß, das daher als Pegel bezeichnet wird.

21 Schallpegel Das Weber-Fechner-Gesetz besagt: Die Empfindungsstärke ist dem Logarithmus der Reizstärke proportional. Die Angabe der Lautstärke im logarithmischen Maß db (Dezibel) entspricht also den natürlichen Gegebenheiten des menschlichen Ohres. Die Amplitude der Luftdruckschwankung p (gemessen in Pascal [Pa]) wird auf die Hörschwelle p 0 (= 20 µpa) bezogen, logarithmiert und mit 20 multipliziert.

22 Schmerzgrenze Hörbereich Hörschwelle

23 Wahrnehmbarkeit von Pegelunterschieden Ein Pegelunterschied von 1 db ist gerade wahrnehmbar, 3 db sind deutlich merklich, 10 db Pegelunterschied wird als Lautstärkehalbierung bzw. -Lautstärkeverdoppelung empfunden.

24 Frequenz Frequenz ist der physikalische Begriff für Tonhöhe. Unter Frequenz versteht man die Anzahl der Schallschwingungen pro Sekunde. Das Maß für Schwingung/Sekunde ist Hertz (Hz) Hz sind 1 kilohertz (khz)

25 Das menschliche Gehör empfindet die sinusförmige Schwingung als reinen Ton.

26 Das menschliche Ohr

27 Technisierte Darstellung des menschlichen Ohres (n. P. Bruel)

28 Kurven gleicher Lautstärke und Frequenzbewertungen A, B, C und D A

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30 Terz- und Oktavpegel In der Raum- und Bauakustik wird der relevante Frequenzbereich stets in Oktav- oder Terzbereiche, auch Bänder genannt, eingeteilt. 1 Oktavband umfasst 3 Terzbänder. Die angegebenen Frequenzen sind die Mittenfrequenzen dieser Bereiche. Als Bezugs frequenz ist 1 khz international festgelegt. Auf einer linearen Frequenzachse würden die Bereiche mit zunehmender Frequenz immer breiter. Üblich ist die logarithmische Skale: Alle Terz- bzw. Oktavbereiche sind gleich breit.

31 Wellenlänge

32 Schallgeschwindigkeit in Luft (bei ca. 20 C) C = 340 m/s

33 Frequenzen und Wellenlängen von Luftschall

34 Man muß Schall einerseits in seinem zeitlichen Verlauf (Zeitdarstellung) betrachten (Sinusform beim reinen Ton) und andererseits in seiner Frequenzzusammensetzung (Frequenzdarstellung), bei der die einzelnen Frequenzkomponenten auf der Frequenzachse entsprechend ihrer Amplitude aufgetragen werden. Jeder beliebiger zeitlicher Signalverlauf läßt sich in eine Summe von sinusförmigen Signalen bestimmter Frequenz zerlegen (Fourier- Zerlegung) und zwar in einen Grundton mit der Frequenz f und in Obertöne, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundtonfrequenz sind (also 2f, 3f, 4f usw., wobei einzelne Komponenten fehlen können). Das Ohr ist ein Fourier-Analysator!

35 Schallausbreitung Abnahme des Schalldruckpegels mit der Entfernung von der Schallquelle infolge der Verteilung der Energie auf der größer werdenden Halbkugeloberfläche um 6 db pro Entfernungverdoppelung

36 Verhalten von Schall im Raum Transmission (a) Absorption (b) Reflexion (c) diffuse Streuung (d)

37 Das Reflexionsgesetz... Spiegelschallquellen Spiegelschallquelle...und die Konstruktion der optimalen Neigung von Reflektoren

38 Prinzip der Konstruktion von reflektierten Schallstrahlen (Einfallswinkel = Ausfallwinkel) mit Hilfe von Spiegelschallquellen

39 Schall- reflexion und Reflektoren Wege, auf denen die Schallwellen in einem Raum zum Hörer gelangen

40 Übergang vom Direktschallfeld einer Schallquelle in einem Raum (6 db Pegelabnahme pro Verdoppelung der Entfernung von der Schallquelle) in das diffuse Schallfeld mit konstantem Pegel Hallradius r H = 0,14 x Wurzel aus A (äquivalente Absoptionsfläche [m 2 ]) in m (statt 0,14 ist 0,2 einzusetzen, wenn die Schalleistung nicht frei in den Raum sondern in einen Halbraum (Quelle z.b. auf dem Boden) abgestrahlt wird).

41 Reflexionen an konkav und konvex gekrümmten Flächen

42 Lenkung der Reflexionen in Sälen a) nach hinten b) diffus streuend c) zur Saalmitte

43 Aufrisse Grundriss Nützliche Reflexionen für den hinteren Raumbereich

44 Flatterechos dürfen in Zuhörerräumen nicht auftreten! Parallele reflektierende Wände führen bei kleinen Räumen zur Ausbildung von stehenden Wellen, bei größeren Räumen zu Flatterechos (Mehrfachechos). Abhilfe stellt die Ausstattung von einer der parallelen Wände mit Streukörpern oder mit absorbierender Verkleidung dar.

45 Raumimpulsantwort

46 In einem Raum ist ein Schallimpuls (z.b. ein Pistolenknall) ausgelöst worden und an einem beliebigen Ort im Raum wurde über die Aufnahme mit einem Mikrofon der zeitliche Verlauf des Schalldrucks (nicht des Pegels!) als Raumimpulsantwort registriert.

47 Direktschall und erste Reflexionen

48 Schalldruck in einem Quader-Raum bei stehenden Wellen

49 Eine optimal gleichmäßige Verteilung der Raumresonanzfrequenzen (Eigentöne) erhält man bei einem Verhältnis der Raumdimensionen von 1 : 1,7 : 2,9 Dieser Planungsgrundsatz gilt für kleine quaderförmige Räume mit weniger als etwa 50 m 3 Volumen.

50 Niedriger Störgeräuschpegel in den Abhörräumen durch günstige Raumanordnung und Schallschleusen Studiokomplex Vermeidung von Flatterechos und von ausgeprägten Raumresonanzen durch nichtparallele Wände

51 Die Nachhallzeit T Die Nachhallzeit T ist das Maß für die Halligkeit eines Raumes. Sie ist definiert als die Zeit, die nach Abschaltung einer Schallquelle vergeht, bis der Schalldruckpegel im Raum um 60 db gesunken ist. Bei gleichmäßig im Raum verteilten reflektierenden Flächen entsteht in hinreichender Entfernung von der Schallquelle ein diffuses Schallfeld. Im diffusen Schallfeld erfolgt gleichmäßiger Schalleinfall aus allen Richtungen an jedem Ort und es herrscht konstanter Schalldruckpegel

52 Nachhallzeit T = 0,16 V / A V = Raumvolumen (in m 3 ) A = äquivalente Absorptionsfläche (in m 2 ) äquivalente Absorptionsfläche A = α S α = Absorptionsgrad S = absorbierende Fläche in m 2

53 Sollwerte der Nachhallzeiten (T m hier = T opt ) Abhängig von der Raumnutzung und dem Volumen gibt es Sollwerte der Nachhallzeit, die der Raumplanung zugrunde zu legen sind.

54 (auch Kammermusiksäle) neuerdings 0,4-0,6

55 Absorber 3 Absorptionsmechanismen bzw. Absorbertypen poröse Absorber Fasermaterialien und offenporige Schaumstoffe Membranabsorber insbesondere Sperrholzplatten auf Abstandshaltern, meist mit Hohlraumbedämpfung Resonanzabsorber (Helmholtzresonatoren) mit teilweiser Füllung (möglichst im Halsbereich) mit porösem Absorptionsmaterial)

56 Bei der Schallabsorption wird die Schallenergie in Wärme umgesetzt (z.b. durch Reibung der hin und her schwingenden Luftmoleküle an den Fasern von Mineraloder Glaswolle oder z.b. auch in offenporigen Schaumstoffen). Unterschiedliche Absorptionsmechanismen bzw. Absorbertypen sind in verschiedenen Frequenzbereichen wirksam.

57 Poröse Absorber sind mit zunehmender Dicke bei tiefen Frequenzen stärker wirksam. Mineralfaserabsorber Die Lochblechabdeckung des porösen Absorbers ist hier wegen des hohen Lochungsgrades von 40 % ohne jeden Einfluss. Bei geringerem Lochungsgrad erfolgt bei hohen Frequenzen ein Abfall des Absorptionsgrades.

58 Mineralfaserabsorber mit Stabverkleidung Bei Breitbandabsorbern (z.b. Mineralfaser- oder andere poröse Materialien) kann die häufig unerwünscht große Absorption bei hohen Frequenzen durch Verkleidungen reduziert werden. Teilweise wird dann der poröse Absorber zum Resonanzabsorber (mit schmalbandig höherer Absorption).

59 Schallabsorptionsgrad einer Absorberkombination

60 Räumliche Verteilung von Schalldruck p und Schnelle v in einer stehenden Welle bei totaler Reflexion an einer schallharten Wand

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62 Raumakustische Zielsetzungen beim Konzertsaalentwurf Niedriger Störgräuschpegel Vermeidung von Klangfärbung (z.b. durch Resonanzeffekte) Optimierung von Nachhallzeit und früher Nachhallzeit entsprechend der vorgesehen Nutzung Optimaler, ausgeglichener Frequenzverlauf der Nachhallzeiten Optimierung der Direktschallversorgung aller Zuhörerplätze Ausgeglichene Pegelverteilung im Raum Optimierung der Anteile früher Reflexionen (sowohl von den Seiten wie auch aus dem Deckenbereich) im Verhältnis zum Direktschall

63 Planungsziele der Raumakustik Bei der Zielstellung unterscheidet man Primärstruktur: Größe und Grundform des Raumes Anordnung von Podium, Bühne, Zuschauerbereich Sekundärstruktur: Oberflächengestaltung Verteilung reflektierender und absorbierender Teilflächen

64 Volumenkennzahlen K und maximale Volumina für Räume verschiedener Nutzung Als erster Schritt akustischer Raumplanung wird entsprechend der vorgesehenen Nutzung das Raumvolumen festgelegt. Bei der nachfolgenden Wahl der Raumdimensionen spielt deren Verhältnis zueinander eine maßgebende Rolle.

65 Durch Sitzreihenüberhöhung ist ein konstanter Blickfeldwinkel von mindestens 12 anzustreben. (Der Grundsatz sollte bei größeren Auditorien unbedingt zur Anwendung kommen.)

66 Beispiele für diffus reflektierende Oberflächen

67 Studiodecke PTB Braunschweig

68 Details aus dem neuen Konzertsaal in Luzern

69 Bereits die Grundrissgestaltung dient der gleichmäßigen Versorgung der Zuhörerplätze im optimalen Verhältnis von direktem Schall, frühen Reflexionen von beiden Seiten und aus dem Deckenbereich sowie mit diffusen späten Rflexionen (Nachhall). Beispiele von Konzertsaal-Grundrissen Grundformen: Schuhkarton Fächer Weinberg

70 Kammermusiksaal des Berliner Konzerthauses

71 Kammermusiksaal Wellington, NZ (300 Plätze)

72 Nachhallzeit in Abhängigkeit von der Frequenz 1) besetzt 2) unbesetzt Kammermusiksaal des Schauspielhauses Berlin 440 Sitzplätze; 2100 m 3 Volumen; Länge/Breite/Höhe: 13 m/8 m/8m

73 De Doelen Kammermusiksaal Rotterdam 604 Sitzplätze 4040 m 3 Volumen 1,2 s Nachhallzeit

74 Kammermusiksaal im Neues Gewandhaus Leipzig (relativ große Breite von ca. 40 m!)

75 Mozartsaal der Liederhalle Stuttgart 800 Sitzplätze 5500 m 3 1,7 s Nachhallzeit (Saal besetzt)

76 Kammermusiksaal Philharmonie Berlin 1064 Sitzplätze m3 1,8 s Nachhallzeit

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78 Literaturempfehlung:

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