Der Akustik-Guide

Der Lautsprecherkauf und die Aufstellung sowie Einpegelung der Surround-Anlage sind nicht unbedingt einfach und für jedermann ohne jegliches Vorwissen zu bewältigen. Die Lautsprecher spielen zusammen mit den akustischen Eigenschaften des Hörraums und der richtigen Handhabung der Surround-Anlage eine wesentliche Rolle bei der Erzielung eines optimalen Hörerlebnisses. Wir wollen einige Grundlagen erläutern, damit der Lautsprecherkauf und das Verständnis der technischen Basics ein wenig einfacher wird.

 

Wichtige physikalische Größen zur Bestimmung von Schall, Ton und Klang
Ein Schallfeld bezeichnet in der Akustiklehre einen Raum, in dem sich Schallwellen ausbreiten können. Um dieses Schallfeld allerdings näher charakterisieren zu können, sind verschiedene physikalische Größen zur exakten Beschreibung nötig. So beispielsweise der Schallpegel, der als die Druckänderung, die durch die schwingenden Luftmoleküle verursacht werden, definiert ist. Der Schalldruckbereich, den das menschliche Gehör aufnehmen kann, liegt zwischen 2 x 10-5 N/m2 und 20 N/ m2 (bei 1000 Hz). Das entspricht einem Faktor von 1.000.000. Damit dieser sehr große Bereich mathematisch leichter erfasst werden kann, führte man die logarithmische Verhältnisgröße Dezibel (dB) ein: Den Schallpegel. So entspricht ein Schalldruck von 2 x 10-5 N/m2 einem Schallpegel von 0 dB, auf der anderen Seite ein Schalldruck von 20 N/m2 einem Schallpegel von 120 dB. Zur richtigen Einordnung einige Beispiel: Ein in normaler Zimmerlautstärke geführtes Gespräch erzeugt in 1 Meter Abstand einen Lautstärkepegel von etwa 60 dB. In der Disco wird hingegen nicht selten die maximale Schmerzgrenze erreicht, ebenso bei der Ausübung verschiedener Berufe. Darum tragen beispielsweise Bauarbeiter, die den Presslufthammer bedienen, oder Waldarbeiter, die mit der Kettensäge arbeiten, Gehörschutz. Bei der Verwendung der Maßeinheit Dezibel muss man sich aber auch klarmachen, was nominell gar nicht so große Schalldruckänderungen für tatsächliche Wirkungen haben auf unser Gehör haben: So wird ein Unterschied von 10 (nominell gar nicht so viel) dB im Schalldruckpegel vom menschlichen Gehör bereits als Verdopplung der Lautstärke wahrgenommen, und schon Unterschiede um die 3 bis 4 dB sind deutlich in Form einer gut wahrnehmbaren Lauter- bzw. Leiser-Empfindung auszumachen. Dies liegt darin begründet, dass die Maßeinheit dB, wie schon erwähnt, ein logarithmisches Maß ist. Werden die dB-Unterschiede hingegen kleiner als die eben angesprochenen 3 bis 4 dB, sind sie nur noch im direkten Vergleich zu differenzieren. Zu den Größen, die ein Schallfeld bestimmen, gehört auch die Schallgeschwindigkeit, die unabhängig von der Frequenz und abhängig vom Medium, in dem sich der Schall ausbreitet, ist. In der Luft beispielsweise breitet sich der Schall mit 343 Meter pro Sekunde aus, in Wasser mit 1440 Meter pro Sekunde, und in Aluminium gar mit 6260 Metern in der Sekunde. Die Schallschnelle, ebenfalls im m/sec. gemessen, ist nicht identisch mit der Schallgeschwindigkeit. Die Schallschnelle charakterisiert die Größe der Geschwindigkeit, mit der die Luftmoleküle um ihre Ruhestellung schwingen. Weitere deskriptive Messeinheit ist die Schalleistung, die in Watt (W) angegeben wird. Hier ist interessant, wie gering die Schalleistungen verschiedener Musikinstrumente selbst im Vergleich zu einem sehr bescheidenen Verstärker sind: So bringt es ein ganzes Symphonieorchester auf 70 W, eine Pauke gerade mal auf 12 W, ein Piano auf 0,5 W.
 

Das menschliche Gehör, Schalldruck und empfundene Lautstärke
Das menschliche Gehör ist im besonderen auf die Aufnahme von Frequenzen zwischen 700 und 6000 Hz vorbereitet, denn um Schwingungen in diesem Frequenzspektrum hörbar zu machen, genügt schon ein verhältnismäßig geringer Schalldruck. Im Bereich sehr tiefer Frequenzen hingegen, wie sie beispielsweise von einem aktiven Subwoofer übertragen werden (Übertragungsbereich liegt meist grob zwischen 20 und 200 Hz), ist hingegen ein größerer Schalldruck vonnöten. Diese Auslegung des Gehörs entspricht den Gegebenheiten des Alltags: So sind in unserer Umgebung die tieffrequenten Schallanteile mit sehr hohem Schalldruck vertreten. Bei tiefen Frequenzen beispielsweise erzeugt eine mit Wucht zugeschlagene Tür einen sehr hohen Schalldruck. Diese tiefen Frequenzen sind aber nicht so wichtig fürs tägliche Hören wie die mittleren, die oben erwähnt wurden und für die das Gehör deshalb auch besonders empfänglich ist - ein Beispiel für die Anpassungsfähigkeit des Menschen an seine Umwelt. Wäre unser Gehör für die tiefen Frequenzen genauso empfänglich wie für die angesprochenen mittleren, dann hätte dies katastrophale Folgen: Das Gehör wäre permanent übersteuert und würde als Folge dessen sekundenlang völlig ausfallen.

Im Zusammenhang mit dem menschlichen Gehör sind noch die die frequenzabhängigen Begriffe Hörschwelle und Schmerzschwelle zu klären. Die Hörschwelle ist die unterste noch wahrnehmbare Schallpegelgrenze, während die Schmerzschwelle eine Schallempfindung umschreibt, die schon Schmerz auslöst. Hierbei ist zu beachten: Zwei Töne mit gleichem Schallpegel wertet das menschliche Gehör nicht automatisch als gleich laut. So wird ein Basston von 50 Hz bei einem Schalldruckpegel von 50 dB genauso laut wahrgenommen wie ein höherfrequenter 4 kHz-Ton (hier liegt die größte Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs) mit lediglich 12 dB. Beide Töne erzeugenden die gleiche empfundene Lautstärke. Gegen die tiefen Töne nimmt die Empfindlichkeit stark ab, während sie bei Frequenzen, die oberhalb der erwähnten 4 kHz liegen, in weniger starkem Maße ab- über 8 kHz sogar wieder leicht zunimmt. Mit zunehmender Lautstärke verringert sich dieses Verhältnis.
 

Was bedeutet dies für den Lautsprecher und den Verstärker ?
Hier ist zu beachten, dass aufgrund der Hörstruktur des menschlichen Gehörs auftretende Fehler wie beispielsweise ein hoher Klirrfaktor in der Gegend um 4 kHz besonders unangenehm hervortreten, weil in diesem Frequenzbereich das menschliche Ohr besonders sensibel reagiert. Damit bei leisen und bei laut eingestelltem Verstärker eine gleichmäßige Wiedergabe aller Frequenzen sichergestellt ist, wird häufig eine sogenannte Loudness-Schaltung verbaut. Diese funktioniert mittels eines umgekehrt proportional arbeitenden Filters, das sich bei weiter aufgedrehtem Lautstärkeregler dem flacher werdenden Verlauf der Ohrkurven anpasst.
 

In welcher Form breitet sich Schall aus?
Eine punktförmige Schallquelle sendet Kugelwellen aus - von punktförmigen Schallquellen kann man sprechen, wenn die Ausdehnung der Schallquelle sehr viel kleiner ist als die Wellenlänge des Schalls. Möchte man die Wellenlänge ermitteln, kann man sich folgender Formel bedienen: v (Schallgeschwindigkeit, hier in Luft, 343 m pro s) = Wellenlänge l (in m) X Frequenz (1/s). Daraus ergibt sich für die Wellenlänge: Schallgeschwindigkeit/Frequenz. Durch die Unterschiede in der Wellenlänge (tiefe Frequenzen haben eine größere Wellenlänge) kann man bei einem Tieftonlautsprecher mit normalem Membrandurchmesser (30 bis 40 cm) durchaus von einer punktförmigen Schallquelle sprechen. Bei einem Hochtonlautsprecher hingegen, der bei seinen hochfrequenten Übertragungsbereichen eine weitaus kürzere Wellenlänge erzeugt, ist die Definition als punktförmige Schallquelle nur dann gegeben, wenn die Membran extrem kleine Abmessungen aufweist. Ist die Abmessung der Membran (und damit die Ausdehnung der Schallquelle) größer als die Wellenlänge, dann erfolgt die Schallabstrahlung gerichtet.

Wichtig in diesem Zusammenhang ist noch die Beugung von Schall sowie die Reflexion. Zum ersten Begriff: Trifft eine Schallwelle auf eine Öffnung in einer Wand, so breiten sich die Schallwellen dahinter kugelförmig aus - allerdings nur unter der Voraussetzung, dass die Öffnung der Wand kleiner ist als die Wellenlänge (siehe Beginn des vorherigen Abschnitts). Dabei kann die Öffnung als neue punktförmige Schallquelle angesehen werden. Ist die Öffnung größer als die Wellenlänge , breiten sich die Schallwellen hinter der Öffnung gleichförmig aus. Bei der Schallreflexion treffen Schallwellen auf ein Hindernis, in einem Hörraum beispielsweise auf einen Schrank oder eine Wand. Der Schrank oder die Wand reflektieren die ursprüngliche Schallwelle, mit diesem Prozess wird eine neue Schallwelle, die des reflektieren Schalls, gebildet. Die ursprüngliche und die reflektierte Welle begegnen sich, und es kommt zur Ausbildung sogenannter Stehender Wellen, sollten die Raummaße in einem ganzzahligen Verhältnis zur halben Wellenlänge stehen. Dies ist z.B. der Fall, wenn die halbe Wellenlänge zwischen die Wände eines Hörraums passt. Ist der Abstand zwischen den Wänden beispielsweise 5 Meter, so muss die Wellenlänge 5 x 2 m sein, also 10 Meter. Stehende Wellen spielen in der Akustik eine große Rolle, so sind sie beispielsweise verantwortlich für unschöne Raumresonanzen, die bei ungünstiger Schallreflexion entstehen können. Man kann die Grundresonanz nach der folgender Formel berechnen:

Frequenz der stehenden Welle f(r) = c/ l = 343/10 m/m x s