Raumakustik 4 - Der Hörraum bei mittleren u. hohen Frequenzen

Während wir uns im dritten Teil unserer Reihe zur Raumakustik um die Optimierung im tiefen Frequenzbereich gekümmert haben, werden wir uns im vorliegenden vierten Teil mit der Verbesserung der akustischen Bedingungen des Hörraumes im mittleren und hohen Frequenzbereich ab ca. 200Hz beschäftigen. Hier werden wir vor allem Tipps zur Verbesserung der Nachhallzeit geben, mit deren Hilfe zu hallige Räume klanglich stark verbessert werden können. Reflexionen werden auch in diesem Artikel wie im ersten Teil unserer Reihe über Raumakustik Mittelpunkt stehen.


Reflexionsarmer Raum von VisatonIm ersten Teil unserer Artikelreihe haben wir erläutert, dass auf jedem Tonträger indirekter Schall vorhanden ist, nämlich der des Raumes, in dem die Produktion abgemischt wurde (bei Unterhaltungsmusik auch immer öfter künstlich erzeugter Hall). Für eine naturgetreue Wiedergabe sollte unser Hörraum daher diese konservierte Raumakustik möglichst wenig verändern. Perfekt wäre eine sehr geringe Nachhallzeit nahe null Sekunden. Dann würde störender Nachhall komplett entfallen. Leider wird sich der Einfluss unseres Raumes nie völlig abschalten lassen. Dies wäre ansatzweise nur dann möglich, wenn unser Raum so wie professionell genutzte reflexionsarme Räume konstruiert und optimiert wäre. Das Bild rechts zeigt einen solchen Raum, der bei der Firma Visaton zu Messzwecken bei der Konstruktion von Lautsprechern verwendet wird. Anhand des Bildes erkennt man schon, dass eine derartige Optimierung für das heimische Wohnzimmer nicht möglich ist. Das Zimmer wäre absolut nicht mehr alltagstauglich, außerdem bliebe die Behaglichkeit auf der Strecke.

Wir werden Reflexionen in unserem Hörraum also wohl kaum perfekt eliminieren können, was aber auch gar nicht nötig ist. Bereits einige alltagstaugliche Veränderungen können akustisch Wunder wirken. In den folgenden Abschnitten werden wir Ihnen einige klangverbessernde Tipps geben. Wichtig in diesem Zusammenhang ist zunächst die Tabelle aus unserem ersten Artikel, in der der Absorptionsgrad einiger Materialien aufgelistet ist. Aufgrund ihres sehr geringen Absorptionsgrades sind glatte harte Flächen, wie Glasscheiben, Steinwände oder Parkettböden als ungünstig einzustufen. Vielleicht erkennen Sie Ihr Wohnzimmer jetzt wieder. Schließlich wird gerade hier häufig Parkettboden verwendet, es sind große Fensterflächen vorhanden, um viel Licht in den Raum zu lassen, und die Wände bestehen nun mal in der Regel aus einer Steinwand mit Anstrich. Viele Wohnzimmer sind also von der Materialzusammensetzung her nicht gerade akustisch optimiert.

Sie müssen aber Ihren Parkettboden nicht gleich herausreißen und Ihre Fenster zumauern. Es gibt einige einfache Tricks diese ungünstigen Materialien zu kompensieren. Der folgende Abschnitt soll Ihnen die Auswahl von Materialien erleichtern. Zunächst betrachten wir anhand eines Beispiels die Optimierung mit gewöhnlichen Mitteln. Im Anschluss möchten wir Ihnen noch einige professionelle Hilfsmittel vorstellen.

Optimierung der Nachhallzeit mit gewöhnlichen Mitteln

Wir betrachten einen Raum mit der Länge L = 5m, der Breite B = 3m und der Höhe H = 2,5m.Wände und Decke bestehen aus Steinwand mit Anstrich, der Boden ist mit Parkett belegt. Außerdem befinde sich eine Holztür mit der Breite BT = 0,8m und Höhe HT = 2m in einer der Wände mit 3m Breite. In der Längswand der Breite 5m ist ein großes Glasfenster mit den Abmessungen Breite BF = 3m und Höhe HF = 1,5m eingelassen. Die einzelnen Materialflächen berechnen sich mit diesen Angaben zu:



Daraus können wir mit Hilfe der Formel für die Nachhallzeit und den Werten der Absorptionsgrade dieser Flächen aus dem ersten Artikel unserer Reihe die Nachhallzeit dieses Raumes bestimmen:



Bisher ist die Nachhallzeit katastrophal schlecht, wie bei diesen Materialien auch erwartet. Was können wir zur Verbesserung tun? Wir betrachten die Formel für die Nachhallzeit. Die einzige Variable, die wir ändern können ist die totale Absorption A. Das Volumen V des Raumes ist schließlich mit den Raumabmessungen fest vorgegeben. Die totale Absorption berechnet sich nach



aus der Summe aller Einzelflächen multipliziert mit ihrem jeweiligen Absorptionsgrad α. Aus diesem Grund wird die totale Absorption größer, wenn die Anzahl der Flächen mit großem α steigt. Entsprechend wird sie kleiner, wenn viele schallharte glatte Flächen mit niedrigem α vorhanden sind. Der entscheidende Weg zur Verbesserung (also Erniedrigung) der Nachhallzeit ist die Erhöhung der totalen Absorption - denn diese steht in der Formel für T im Nenner des Bruches, wodurch T kleiner wird, wenn A ansteigt.

Ganz allgemein erreichen wir also eine Verbesserung der Raumakustik im mittleren und hohen Frequenzbereich, indem wir möglichst viele schallharte Stoffe durch poröse, weiche Materialien ersetzen. Unter poröse Materialien fallen dabei alle fasrigen, flauschigen und weichen Stoffe, wie beispielsweise Teppiche, Vorhänge und Polstermöbel. Sie entziehen der durchlaufenden Schallwelle Energie durch Reibung der sich bewegenden Luftmoleküle an den feinen Fasern des Materials. Diese Energie wird in Wärme umgesetzt. Da sich die Luftmoleküle umso schneller bewegen, je höher die Frequenz des Schalls ist, nimmt die absorbierende Wirkung der Materialien mit steigender Frequenz stark zu. Tiefe Frequenzen hingegen lassen sich kaum durch diese Materialien beeindrucken, aber für die Verringerung dieser Wellen haben wir Ihnen ja bereits im dritten Teil unserer Raumakustikreihe Tipps an die Hand gegeben. Stoffe, die schallschluckende Eigenschaften aufweisen werden auch als Schluckstoffe bezeichnet.

Wir wollen uns nun anhand unserer Beispielrechnung ansehen, wie gut sich mit einigen Mitteln die Nachhallzeit des Raumes verbessern lässt. Dazu belegen wir das Parkett teilweise mit einem Teppich der Abmessungen 4m x 2m. Vor das Fenster kann wenn Musik gehört werden will ab sofort ein schwerer Vorhang gehängt werden. Dieser hat die Abmessungen 4m x 2,5m, wodurch er gleich auch noch einen Teil der Wand mit verdeckt. Die Wände selbst werden kurzerhand mit dicker Tapete tapeziert. Als Materialflächen in unserem Hörraum ergeben sich jetzt die folgenden Werte:



Mit Hilfe der jeweiligen Werte für α können wir die neue Nachhallzeit berechnen. Diese beträgt jetzt:



Die Nachhallzeit ist also fast sechs mal kleiner, als im Raum mit den zuerst verwendeten Materialien. Sie ist bereits in einen Bereich gefallen, der akzeptable akustische Ergebnisse erwarten lässt. Die DIN-Norm empfiehlt für die Hifiwiedergabe in Wohnräumen Nachhallzeiten zwischen etwa 0,2 und 0,5 Sekunden. Die genaue Empfehlung kann aus der folgenden Zeichnung abgelesen werden. Beachten Sie vor allem, dass in dieser Empfehlung die Frequenzabhängigkeit der Nachhallzeit mit berücksichtigt wurde.
 

Nachhallzeit fÃŒr Hifiwiedergabe nach DIN 45573

Für optimale Musikwiedergabe sollte der Wert also noch etwas weiter sinken. Das erreichen Sie sehr leicht, indem Sie zum Beispiel eine Sofaecke in den Raum stellen. Auch jede Person, die sich im Raum aufhält, wird, wie in unserem ersten Artikel bereits bemerkt, die Nachhallzeit weiter verkürzen. Variieren Sie vor allem auch die Position der Einrichtungsgegenstände im Raum. Diese wird in unseren bisherigen Berechnungen leider nicht berücksichtigt, kann aber großen Einfluss auf die Nachhallzeit und damit die Akustik des Raumes ausüben. Es lassen sich also bereits durch geschickte Wahl der Einrichtung gute akustische Ergebnisse erzielen. Für perfekte Optimierungen genügt dieses Vorgehen allein natürlich noch nicht. Dem Raumakustiker stehen für die Verbesserung eines Raumes daher einige Hilfsmittel zu Verfügung. Einige davon sollen im nächsten Abschnitt vorgestellt werden. Sollte Ihnen Ihr Hörraum zu hallig erscheinen, so könnten diese Spezialmittel das richtige sein, um diese Tatsache zu ändern.

Optimierung der Nachhallzeit mit professionellen Mitteln

Zusätzlich zur Optimierung mit gewöhnlichen Mitteln kann in besonders widerspenstigen Hörräumen die Nachhallzeit mit Hilfe von professionellen Mitteln eingestellt werden. In erster Linie sind hier Absorberkonstruktionen zu nennen. Zu dieser Gattung gehören übrigens auch die im dritten Teil unserer Reihe über Raumakustik besprochenen Helmholtz-Resonatoren und Plattenschwinger. Diese arbeiten im tiefen Frequenzbereich. Wir wollen uns im folgenden nun Absorber für den mittleren und vor allem hohen Frequenzbereich ansehen. Man spricht hier auch allgemein von Höhenabsorbern.

Akustikplatte der Firma Heraklith

Höhenabsorber wirken im Prinzip genauso wie ein Vorhang oder Polstermöbel.Am weitesten verbreitet sind sogenannte Akustikplatten, wie im Bild links gezeigt (Firma Heraklith). Diese bestehen aus einer speziellen Materialzusammensetzung (z.B. magnesitgebundene Holzwolle, Steinwolle), deren α zumindest für hohe Frequenzen praktisch gleich 1 ist. Es handelt sich also um praktisch perfekte Schallschlucker. Akustikplatten können bequem an jeder Wand befestigt werden.

Insbesondere bei der Wandanbringung ergibt sich allerdings ein Problem. In der Nähe der Wand ist die Geschwindigkeit, mit der sich die durch den Schall angeregten Luftmoleküle bewegen sehr gering. Schluckstoffe, aus denen Akustikplatten bestehen, wirken jedoch nur dann, wenn die Luftbewegung möglichst hoch ist. Die folgende Skizze verdeutlicht den Sachverhalt:

Einfluss des Wandabstandes auf die dÀmpfende Wirkung von Akustikplatten

Man erkennt, dass die absorbierende Wirkung bei steigendem Wandabstand insbesondere im Bereich mittlerer Frequenzen deutlich zunimmt. Sollen also neben den hohen Frequenzen auch mittlere Frequenzen unterhalb von etwa 1kHz absorbiert werden, so müssen die Platten auf einem Gerüst montiert werden, um den erforderlichen Wandabstand einzuhalten. Die gesamte Absorberdicke hat selbstverständlich ebenfalls großen Einfluss auf die dämpfende Wirkung. Die minimale Dicke d des Absorbers zur Dämpfung von Schall der Wellenlänge λ ist über den recht einfachen Zusammenhang d = λ/4 gegeben.

Lochplattenabsorber

Die Materialien, aus denen Akustikplatten bestehen, werden auch für eine weitere Absorberart verwendet, die sogenannten Schlitz- oder Lochplattenabsorber (siehe Bild rechts). Diese werden ebenfalls an der Wand befestigt und besitzen einen schichtartigen Aufbau. Die äußere sichtbare Schicht besteht aus einer mehr oder weniger stark gelochten Holzplatte. Dieser Schicht schließt sich ein stark dämpfender, bis etwa 5cm dicker Bereich aus Schluckstoffen an. Schlitz- und Lochplattenabsorber werden vor allem zur Bekämpfung zu langer Nachhallzeiten im mittleren Tonbereich verwendet und reichen bei geschickter Konstruktion auch ein Stück in den Tieftonbereich hinab. Ähnlich wie bei den Akustikplatten ist die Absorptionswirkung abhängig von der Montageentfernung zur Wand. Lässt man einen gewissen Wandabstand zu, so verbessert sich die Absorberwirkung zu tiefen Frequenzen hin.

Optimierung der Aufstellung der Lautsprecher

Natürlich ist die Nachhallzeit nicht das einzige Kriterium, das bei der Optimierung eines Hörraumes für Hifiwiedergabe berücksichtigt werden muss. Mindestens genauso wichtig ist die korrekte Position der Lautsprecher und der Hörposition. Hierauf sind wir im dritten Teil unserer Raumakustikreihe hier eingegangen, allerdings nur für tiefe Frequenzen. Während im Bassbereich Hör- und Lautsprecherposition weitestgehend unabhängig voneinander sind, da das Ohr tiefe Frequenzen nicht im Raum lokalisieren kann, muss bei der Optimierung im mittleren und hohen Frequenzbereich die Stereowirkung der Lautsprecher berücksichtigt werden. Diese kann sich nur dann optimal ausbilden, wenn der Zuhörer von beiden Speakern gleich weit entfernt ist. Eine optimale geometrische Anordnung von Lautsprechern und Sitzposition kann mit Hilfe des bekannten Stereodreiecks herausgefunden werden. Die folgende Skizze veranschaulicht das.

Stereodreieck

Die Lautsprecher sollten dabei nach Möglichkeit mindestens 2 Meter auseinander stehen, da die Stereowirkung sonst sehr eng und unrealistisch erscheint. Die Sitzposition sollte sich möglichst auf der Mittelsenkrechte auf der die Lautsprecher verbindenden Dreiecksseite befinden, da das Stereoklangbild sonst links- oder rechtslastig wird. Der Abstand zur Lautsprecherebene darf nicht zu klein gewählt werden, da die imaginären Schallquellen der Darbietung sonst zunehmend ähnlich wie beim Kopfhörer im Kopf und nicht vor einem lokalisiert werden.

Auch das andere Extrem einer sehr weit von den Boxen entfernten Hörposition kann auf keinen Fall empfohlen werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass der Direktschallanteil mit dem Abstand zu den Schallquellen stark abfällt. Wie wir im ersten Artikel unserer Reihe erläutert haben, steigt dagegen der Anteil des Diffusschalls am Gesamtschall mit zunehmendem Abstand stark an. Je weiter man sich von den Boxen entfernt, desto mehr verwischt daher die räumliche Abbildung der imaginären Quellen zwischen den Speakern.

Bisher wurde die Aufstellung nur nach geometrischen Kriterien optimiert. Bezieht man den Hörraum mit seinen akustischen Eigenheiten mit in diese Überlegungen ein, so wird die Sache etwas komplizierter. Die Lautsprecher werden unweigerlich einen Teil ihres Schalls in Richtung der umgebenden Raumwände abstrahlen. Werden diese Schallwellen an den Wänden unterschiedlich stark reflektiert bzw. absorbiert, was bei sich stark unterscheidendem Wandmaterial der Fall ist, so gelangen vom einen Lautsprecher mehr Reflexionen als vom anderen an der Hörposition an. Genau das gleiche ist der Fall, wenn die Speaker nicht den gleichen Abstand zu den umgebenden Wänden besitzen. Besonders ungünstig ist beispielsweise die Aufstellung des linken Lautsprechers mit 50cm Abstand zu einer großen Glasfläche und die Positionierung des rechten Lautsprechers im Abstand von zwei Metern neben einen Wandteppich. Aufgrund des sehr geringen Absorptionsgrades der Glasfläche gegenüber dem Wandteppich und des unterschiedlichen Abstandes zu den Begrenzungsflächen besitzen die nach Reflexion zum Hörer gelangenden Schallwellen des linken Speakers wesentlich höhere Intensität, als die Wellen des rechten Speakers. Die linke Box erscheint dem Gehör daher lauter und schon verschiebt sich die Stereoabbildung wieder. Optimal wäre es also das Wandmaterial im Bereich beider Speaker identisch zu wählen und auch den Abstand der Lautsprecher zu den Wänden möglichst gleich zu gestalten.

Verwendet man allerdings gut reflektierende Wandmaterialien, wie zum Beispiel eine Steinwand mit Anstrich oder eine Holzvertäfelung, so schafft man zwar identische Abstrahlverhältnisse für beide Lautsprecher, handelt sich aber mit hoher Wahrscheinlichkeit Flatterechos aufgrund der parallelen Wände ein. Flatterechos sind bekannt für ihre stark klangverschlechternde Wirkung. Die Präzision der Wiedergabe wird deutlich herabgesetzt. Besser wäre es die Lautsprecherebene nicht parallel zu den Wänden, sondern wie auf dem folgenden Bild im Raum zu positionieren:

So werden zumindest die durch parallele Raumseitenwände entstehenden Flatterechos vermieden. Leider ist die Abstrahlumgebung für diesen Fall wieder nicht ganz identisch für beide Speaker und es können nach wie vor Flatterechos zwischen Decke und Boden auftreten. Außerdem ist diese Aufstellungsvariante bei weitem nicht in jedem Wohnzimmer möglich. Werden die Lautsprecher also konventionell entlang einer Raumseite aufgestellt, so sollte das Wandmaterial zumindest möglichst rau und absorbierend sein. Absorbierend deshalb, weil dann eventuell entstehende Flatterechos durch hohen Energieverlust bei der Reflexion schnell abklingen. Raues oder stark zerklüftetes Material sorgt dafür, dass Schallwellen ab einer bestimmten Grenzfrequenz die parallelen Wände nicht "sehen". Sie werden wie im ersten Artikel erläutert von den einzelnen Vertiefungen und Überhöhungen in unterschiedliche Richtungen reflektiert und damit in den Raum zurückgestreut. Leider funktioniert das bei einer normalen Rauheit wie beispielsweise Rauputz nur für hohe Frequenzen. Mittlere und tiefe Frequenzen werden nicht gestreut. Im professionellen Bereich verwendet man aus diesem Grund spezielle Diffusoren. Diese bestehen aus einer unregelmäßig angeordneten Ansammlung von Einzelflächen verschiedener Größe. Aufgrund der recht großen Abmessungen der Einzelflächen können Diffusoren bis in den Tieftonbereich hinein wirken. Leider sind die Konstruktionen nicht sehr augenfällig und passen schlecht zur heimischen Wohnzimmereinrichtung, wie auf dem Bild rechts zu sehen ist. Gezeigt ist ein kleines Musikstudio mit Diffusoren an Rückwand und Decke (Quelle [5]).

Doch es müssen nicht spezielle Diffusoren sein, auch mit der unregelmäßigen Anordnung von Gegenständen im Hörraum können Sie Flatterechos vermeiden. In diesem Zusammenhang sind beispielsweise Dachräume aufgrund der Dachschräge und den damit nur teilweise parallelen Wänden hervorragend als Hörräume geeignet. Stehen nur Räume mit parallelen Wänden zur Verfügung, so können eventuell aufstellbare Trennwände Wunder vollbringen.

Zusammenfassung

Abschließend möchten wir Ihnen zusammenfassend kurz den Weg skizzieren, den Sie am sinnvollsten bei der Optimierung Ihres Hörraumes gehen sollten.

  • Führen Sie zunächst sofern nötig bauliche Maßnahmen wie Tapezieren der Wände durch
  • Anschließend sollten Sie bestimmen, an welchem Ort Geräte, Lautsprecher und Zuhörer ihren Platz finden sollen. Beachten Sie dabei unsere Positionierungstipps für alle Frequenzen.
  • Sind die Positionen festgelegt, so können Sie falls nötig die Nachhallzeit noch mit Hilfe von Teppichen, Polstermöbeln und ähnlichem verbessern. Achten Sie aber unbedingt darauf, dass die Abstrahlverhältnisse auch nach dieser Optimierung für linke und rechte Box möglichst gleich sind!
  • Ganz zum Schluss können Sie noch störende Raumresonanzen mit Hilfe von Helmholtz-Resonatoren ausmerzen. Achten Sie auch hier wieder darauf, dass Sie die Abstrahlbedingungen für linken und rechten Lautsprecher möglichst nicht mehr bzw. in gleicher Weise ändern!

Quellenangaben:

  1. Handbuch der Elektroakustik; Günther Boye, Urbi F. Herrmann; Hüthig Buch Verlag Heidelberg; ISBN:3-7785-1575-6
  2. TMR Audio
  3. Dokument zur 5. Internationalen Internet- und Multimedia-Tagung (Zürich, 24.10.2002); "Raumakustik und Multimedia"; Autor: Kurt Eggenschwiler
  4. www.sengpielaudio.com
  5. EMPA/HSR-Tagung 2001; "Holz in der Raumakustik"; Autor: Kurt Eggenschwiler
  6. Klang - Musik mit den Ohren der Physik; John R.Pierce; Spektrum der Wissenschaft
  7. Audio Consequent
  8. Referat über Raumakustik

Computerprogramme zur Simulation der Raumakustik

  1. Programm von TMR-Audio
  2. CARA - Computer Aided Room Acoustics