Objektive und subjektive Verbesserungen der Abhörsituation durch ein Analyse- und Korrektursystem

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung - „Die Wahrheit“
1.1 Aufbau der Arbeit

2. Grundbegriffe der Raumakustik
2.1 Entstehung und Fortbewegung des Schalls
2.1.1 Schalldruck und Pegel
2.1.2 Schallschnelle
2.1.3 Ebene und Kugelwelle
2.2 Schallausbreitung im Raum
2.2.1 Beugung
2.2.2 Absorption
2.2.3 Reflektion
2.3 Das Schallfeld
2.3.1 Direktschall
2.3.2 Diffusschall
2.3.3 Zeitlicher Verlauf des Schallfeldes

3. Psychoakustik
3.1 Wahrnehmbarkeitsschwellen und Auswirkungen
3.1.1 Pegelunterschiede
3.1.2 Frequenzunterschiede
3.1.3 Phasenunterschiede

4. Regieraum-Akustik
4.1 Objektive Qualitätskriterien der Lautsprecherwiedergabe für Abhörräume
4.1.1 Anforderungen an das Bezugs-Schallfeld
4.1.2 Anforderungen an Regielautsprecher
4.1.3 Lautsprecheraufstellung

5. Elektronische Raumentzerrung
5.1 Signalverarbeitung
5.1.1 IIR-Filter
5.1.2 FIR-Filter
5.2 Trinnov Audio
5.2.1 Trinnov MC Optimizer
5.3 Möglichkeiten der Raum- und Lautsprecherentzerrung
5.3.1 Time-Alignement und Frequenzweichensteuerung
5.3.2 Korrektur des frequenzabhängigen Raum-/Lautsprecherverhaltens
5.3.3 Korrektur des zeitabhängigen Raum-/Lautsprecherverhaltens
5.3.4 Korrektur der Lautsprecherposition

6. Praxis
6.1 Messungsaufbau
6.2 Testräume
6.2.1 HdM Stuttgart, A Regie
6.2.2 HdM Stuttgart, B Regie
6.2.3 HdM Stuttgart, Hardcut
6.2.4 Homestudio
6.3 Hörversuch der entzerrten Abhörsituation
6.3.1 Teststrategie
6.3.2 Qualitätsparameter
6.3.3 Testtitel
6.3.4 Kunstkopfaufnahmen

7. Ergebnisse
7.1 Korrektureinstellungen
7.2 Analyse- und Korrekturergebnisse
7.2.1 HdM Stuttgart, A Regie, Messung- und Korrekturergebnisse
7.2.2 HdM Stuttgart, B Regie, Messung- und Korrekturergebnisse
7.2.3 HdM Stuttgart, Hardcut, Messung- und Korrekturergebnisse
7.2.4 Homestudio, Messung- und Korrekturergebnisse
7.3 Ergebnisse der Umfrage
7.3.1 Akustisches Gleichgewicht
7.3.2 Durchsichtigkeit
7.3.3 Stereofoner Eindruck
7.3.4 Störgeräusche
7.3.5 Raumeindruck
7.3.6 Akustischer Gesamteindruck

8. Fazit
8.1 Zusammenfassung
8.2 Ausblick

Anhang

Literaturverzeichnis

Zusammenfassung

Ein digitales Raumkorrektursystem wird hinsichtlich seiner Funktionalität zur subjektiven wie objektiven Optimierung des Schallfeldes an einem definierten Abhörpunkt auf Studioniveau untersucht. Insbesondere wird dabei eine tonale Ausgewogenheit sowie eine zeitrichtige Studioakustik angestrebt. Des Weiteren werden Ursachen und Gründe untersucht, welche für eine digitale Raumkorrektur sprechen. Die Messungen finden dabei in unterschiedlichen Regien statt und werden durch Hörversuche und eine Kunstkopfaufnahme zur subjektiven Nachvollziehbarkeit dokumentiert. Die Messergebnisse werden mit den Resultaten des Hörversuchs verglichen, um Aussagen über die Möglichkeiten sowie die Relevanz und Akzeptanz einer automatischen Raumkorrektur zu gewinnen.

Abstract

This paper evaluates the functionality of a digital room correction system concerning the subjective and objective optimization of the acoustic field in a defined listening place in a studio. The aim is both to improve the sound quality to an optimized studio quality, no matter the recording circumstances, and accomplish tonal balance and right timing in terms of the acoustics of the studio during the process of recording. Furthermore, causes and reasons for the use of room correction are analyzed. All measurements are executed in different settings and all results of the experiment of listening by ear and the dummy head recordings are documented for subjective comprehensibility. The measurement results are then compared with the results of the listening experiment. By this, the paper aims to find qualitative statements about the possibilities and the relevance and acceptance of an automatically generated room correction.

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 Kammfilter für drei unterschiedliche Absorptionsgrade der reflektierenden Fläche. Die Frequenz ist auf die Frequenz der ersten Auslöschung normiert

Abb. 2 Zeitliche Folge der Reflektionen in einem Raum bei Impulsschall

Abb. 3 Kritische Frequenzbänder

Abb. 4 Kleinster wahrnehmbarer Pegelunterschied eines 1-kHz-Tones

Abb. 5 Wahrnehmbarkeitsschwelle der Frequenzänderung

Abb. 6 Reflexionen an der Ohrmuschel bestimmen die Richtungslokalisation

Abb. 7 Lokalisationsverschiebungen durch Laufzeitunterschiede

Abb. 8 Haas-Bereich

Abb. 9 Toleranzfeld für die Betriebsschallpegelkurve

Abb. 10 Toleranzfeld der Nachhallzeit im Studio

Abb. 11 Geithein RL 901K, Frequenzgang

Abb. 12: HdM Stuttgart, A Regie, Amplitude

Abb. 13 Ausschwingverhalten einer optimierten Lautsprechermembran gegenüber einer Raumresonanz

Abb. 14 Directivity eines kleinen 2-Wege Studio-Monitors in der Horizontalebene

Abb. 15 Reference loudspeaker arrangement with loudspeakers L/C/R and LS/RS

Abb. 16 Blockschaltbild eines IIR-Filters

Abb. 17 Blockschaltbild eines FIR Filters

Abb. 18 Signalfluss des RCS

Abb. 19 3D-Messmikrophon

Abb. 20 Active crossover

Abb. 21 Frequenzgang einer Hörposition

Abb. 22 Wasserfalldiagramm von 20 Hz bis 300 Hz für die Messung an einer Hörposition, ohne Optimierung

Abb. 23 Wasserfalldiagramm von 20 Hz bis 300 Hz für die Messung an einer Hörposition, ohne Optimierung

Abb. 24 Schröder-Plot der Energiekurven zwischen 40 Hz und 200 Hz

Abb. 25 Analysemethode für die Abbildung der Lokalisationsschärfe einer Phantomschallquelle, identische Ohrsignale

Abb. 26 Auswertung zur Lokalisationsschärfe, ohne Optimierung

Abb. 27 Auswertung zur Lokalisationsschärfe, mit Optimierung

Abb. 28 Impulsantwort eines 2-Wege-Lautsprechers mit (blau) und ohne (rot) Laufzeitkorrektur

Abb. 29 Signalbearbeitung

Abb. 30 HdM A Regie, Lautsprecheranordnung und Grundriss

Abb. 31 Speaker Information, HdM A Regie

Abb. 32 HdM B Regie, Lautsprecheranordnung und Grundriss

Abb. 33 Speaker Information, B Regie.

Abb. 34 HardCut 360°

Abb. 35 Toleranzschlauch der Nachhallzeit für ein 1700m3 Kino. RT(500Hz) = 0,5s

Tabellenverzeichnis

Tab. 1 Zusammenhang zwischen psychologischen und physikalischen Größen.

Tab. 2 Akustisches Gleichgewicht

Tab. 3 Stereofoner Eindruck.

Tab. 4 Störgeräusche

Tab. 5 Raumeindruck

Tab. 6 Akustischer Gesamteindruck

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung - „Die Wahrheit“

Die professionelle Audiotechnik war von jeher mit dem Anspruch einer hohen Wiedergabequalität verbunden. Das schließt für die kritische Beurteilung der Audiosignale ein, im Tonstudio die philosophisch angepriesene, unverfälschte „Wahrheit“ abzuhören. Diese zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass sich das akustische Ereignis, welches man hört, mit dem wiedergegebenen Signal deckt. Die auditive Kontrolle über Tonmischungen und Aufzeichnungen, sowie die Bewertung der Tonqualität kann nur unter dieser Voraussetzung voll gewährleistet werden. Ist diese gegeben, besteht die größte Chance, dass sich eine Klangvision über das Studio hinaus in andere Räume übersetzt. Für eine neutrale Schallübertragung spielt neben den technischen Voraussetzungen die letzte Instanz des Abhörsystems eine große Rolle: der Raum.

Letztendlich setzt sich die Qualität des Abhörsystems im Wesentlichen aus der Wechselwirkung der Lautsprecher und des beschallten Raumes zusammen. Der Raum als Filter betrachtet, reißt unter Umständen dramatische Verzerrungen in das Klangbild. Die Problematik kann durch eine Anpassung der Raumakustik an die Gegebenheit entschärft werden. Jedoch findet diese meist aus Kosten-, Platz- und Zeitgründen verhältnismäßig geringe Beachtung.

Durch den Fortschritt der digitalen Signalverarbeitung ist seit wenigen Jahren eine Schallfeldanalyse und Entzerrung auf Frequenz- und Zeitebene möglich. So bietet beispielsweise seit 2005 die Firma TRINNOV Audio mit ihrem „MC Prozessor“ eine hardwarebasierte elektronische Lösung neben dem konservativen Ansatz an. Dieses soll es möglich machen, ein Abhörsystem auf tonaler und zeitlicher Ebene zu korrigieren. Darüber hinaus soll es möglich sein, frühe Reflektionen zu kompensieren und Lautsprecher per Knopfdruck auf eine virtuelle Position zu verschieben. Internationale Dokumente dienen dabei als Referenz.

In vorliegender Arbeit werden die Ursachen und Gründe untersucht, welche für eine elektronische Raumkorrektur sprechen und inwiefern die Abhörsituation objektiv sowie subjektiv verbessert werden kann. Anhand der objektiven Messungen und des subjektiven Hörversuchs sollen allgemeine Aussagen über die Relevanz und Akzeptanz der elektronischen Raumkorrektur getroffen werden.

1.1 Aufbau der Arbeit

Zunächst sollen die Grundbegriffe der Raumakustik beschrieben werden, aus deren Zusammenspiel sich das Schallfeld mit seinen Eigenschaften bildet. Anschließend wird anhand der Psychoakustik auf die Auswirkungen der objektiven Defizite für die subjektive Empfindung eingegangen. In Kapitel 4 sollen objektive Qualitätskriterien einer Regieraum Akustik dargelegt werden, wie sie in internationalen Dokumenten festgehalten sind. Die Anforderungen werden dabei direkt an das Bezugsschallfeld gestellt und indirekt an die Eigenschaften der Regielautsprecher. Kapitel 5 behandelt die Grundlagen der digitalen Signalverarbeitung. Die Möglichkeiten der Schallfeldkorrektur beziehen sich dabei ausschließlich auf das verwendete Raumkorrektursystem. Damit soll der Forschungsbereich auf diese eingegrenzt werden. Soweit sich in die Funktionsweise der Algorithmen Einblick erhalten lässt, sollen erste Grenzen der elektronischen Raumkorrektur festgehalten werden. Die Praxis leitet objektive und subjektive Messungsversuche ein, indem die Gegebenheiten der Räume und die Vorgehensweise bei den Versuchen geschildert werden. Bei der Vorstellung der exemplarischen Ergebnisse sollen in Kapitel 7 bereits erhaltene Erkenntnisse in die Interpretation und Bewertung der Korrekturvorgänge miteinbezogen werden. Im Fazit soll eine Zusammenfassung der gewonnenen Erkenntnisse über die Möglichkeiten und Grenzen der elektronischen Raumkorrektur abgegeben werden. Zuletzt soll die Arbeit kritisch beleuchtet und auf weitere Forschungsmöglichkeiten eingegangen werden.

2. Grundbegriffe der Raumakustik

Um die Phänomene vom Schall im Raum und die damit verbundenen Problematiken der Raumakustik zu verstehen, ist es zunächst erforderlich, sich mit einigen Grundbegriffen der Akustik bekannt zu machen.

2.1 Entstehung und Fortbewegung des Schalls

Bringt eine Schallquelle (z.B. Membran) ihr umliegendes Medium (z.B. Luft) durch Expansion und Kompression zum Schwingen, werden dabei Luftteilchen um ihre Ruhelage hin und her bewegt, was wiederum benachbarte Luftteilchen anstößt. Wenn Luftteilchen aus ihrer Ruhelage gedrängt werden, entsteht eine Luftdruckveränderung. Der Bewegungsimpuls überträgt sich auf benachbarte Luftteilchen bis eine Schallwelle entsteht.

Die Schallgeschwindigkeit (*) mit der sich eine Schallwelle vom Erregerpunkt ausbreitet, ist temperaturabhängig und beträgt in der Luft bei 20°C 343,32 m/s oder gerundet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Per Definition ist eine Schwingung ein periodisch wiederkehrender Verlauf des Schalldrucks. Dabei wird die Periodendauer einer Schwingung ( ) in Sekunden angegeben.

Diese wird aus dem Kehrwert der Frequenz ( Wiederholungen in einer Sekunde stattfinden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Wellenlänge Lambda (%) beschreibt die Länge einer Schwingung bis zu ihrer Wiederholung und wird in Meter angegeben. Der Zusammenhang aus Periodendauer, Frequenz und Schallgeschwindigkeit ist in folgender Formel zusammengefasst:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für den Menschen hör- bzw. wahrnehmbar ist ein Frequenzbereich von 20Hz - 20kHz. Die Wellenlängen erstrecken sich dabei ungefähr von 1,7cm bis 17m.¹

2.1.1 Schalldruck und Pegel

Hörbar wird die Schallwelle durch die Luftdruckveränderung zum normalen Luftdruck. Dieser variiert innerhalb einer Schwingung, d.h. es gibt Stellen mit Überdruck, Unterdruck und an denen keine Druckveränderung zum Normalluftdruck vorhanden ist. Jedoch gibt man in der Praxis nicht den momentanen, sondern den Effektivwert in Pascal [Pa] an. Dieser verändert sich dabei periodisch mit der Frequenz. Die Luftdruckveränderung von 0,00002 Pa bei 2 kHz zum Normalluftdruck von 101300 Pa entspricht ungefähr dem kleinsten wahrnehmbaren Schalldruck.² Um die physikalischen Einheiten besser auf unsere Hörwahrnehmung anwenden zu können, wurde die Pseudoeinheit Dezibel (dB) herangezogen. Da wir Sinnesreizverhältnisse wie Verdopplung oder Halbierung als konstant empfinden, wird dabei das Verhältnis zweier Reize logarithmiert. Das verwendete Maß der Schallstärke ist der Schalldruckpegel (engl. sound presure level, SPL) und wird mit folgender Formel berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schalldruck kann mit gegenphasigem Schalldruck abgeschwächt, oder gar ausgelöscht werden. Gegenphasig heißt, dass eine zweite Schallquelle an einem Punkt einen Überdruck erzeugt, wo von einer anderen ein Unterdruck erzeugt wird.

Die subjektiv empfundene Lautstärke weicht unter Umständen von diesem Pegel ab (3.1).

2.1.2 Schallschnelle

Der Über- und Unterdruck zwingt die Luftteilchen sich vom Über- in den Unterdruck zu bewegen. Diese Bewegung nennt man Schallschnelle. Wie beim Schalldruck wird hier nicht der Momentan-, sondern der Effektivwert in m/s angegeben.³ Die Schallschnelle direkt an einer schallharten Wand beträgt 0 m/s, da die Luftmoleküle nicht ausweichen können. Im letzten Viertel der Wellenlänge finden wir dadurch ein Schalldruckmaximum durch den entstehenden Druckstau vor. Dieser kann an der Wand einen Pegelanstieg von 6 dB, in den Raumecken 12dB und in den Raumwinkeln bis zu 18dB betragen.⁴

2.1.3 Ebene und Kugelwelle

Die Idealvorstellung einer eindimensionalen, perfekt gerichteten Welle nennt man ebene Welle, deren Intensität unabhängig von der Entfernung gleich ist. Weitaus geläufiger ist die Kugelwelle, welche aus einer Punktschallquelle ungerichtete Schallenergie abstrahlt. Dabei muss sich die Schallenergie mit zunehmendem Abstand auf immer größere Kugelschalen verteilen, was die Schallenergie verringert. Bei doppeltem Abstand verringert sich die Schallintensität auf ein Viertel des ursprünglichen Wertes. Da die Schallintensität proportional zum Quadrat des Schalldrucks ist, fällt diese auf den halben Wert. Das entspricht einer Pegelabnahme von 6 dB bei doppelter Entfernung.

In der Realität geben die meisten Schallstrahler weder perfekte ebene Wellen, noch Kugelwellen ab. Dabei gilt: ist die Wellenlänge groß gegenüber den Abmessungen des Strahlers, betrachtet man diesen als Kugelschallquelle. Andernfalls wird von einer ebenen Welle ausgegangen.⁵

2.2 Schallausbreitung im Raum

Eine sich ausbreitende Schallwelle ist im Raum einigen Effekten unterworfen. Ihre Auswirkungen sind dabei von der Frequenz abhängig. Diese haben wiederum entscheidende Auswirkungen auf die Raumakustik.

2.2.1 Beugung

Ist die Wellenlänge einer Sinusschwingung größer als ein Hindernis, so wird dieses von der Schallwelle übergangen, als ob es nicht da wäre. Ist sie jedoch kleiner, entsteht hinter der „Schallwand“ (welche das Hindernis darstellt) ein „Schallschatten“. In diesem „Schallschatten“ sollten nur noch die Frequenzen hörbar sein, deren Wellenlängen länger sind als die Größe des Hindernisses. In der Praxis sind das meist tieffrequente Anteile, die eigentlich nicht mehr zu hören sein sollten. Das liegt daran, dass nur mittig auf das Hindernis treffende Schallwellen vollständig abgeschirmt werden. Erst ein Hindernis, das fünfmal so groß ist wie die Wellenlänge lang ist, wirft einen deutlichen Schallschatten. Dazu fangen die Schallwellen an, sich an den Rändern um das Hindernis herum zu beugen. An diesen Stellen entsteht eine Art neue Schallquelle.⁶

Ein Beispiel dafür ist der Beugungseffekt bei Lautsprecherboxen. Geht man hier von einer kleinen Box mit den Maßen 20x40 cm aus, fangen die Schallwellen, die länger als 20 cm sind (1720Hz) an, sich um die Box herum zu beugen. In diesem Fall würde die Box über 1720 Hz halbkugelförmig und unterhalb von 860Hz (40cm) kugelförmig abstrahlen. Durch die Veränderung des Abstrahlverhaltens verändert sich je nach Frequenz der Diffusfeldanteil des Lautsprechers. Dabei regt der Lautsprecher den Raum unter 860Hz stärker an als über 1720Hz. Dazwischen ist der Übergang fließend.⁷

2.2.2 Absorption

Bei Objekten, die Schallwellen durch Resonanzen oder Reibungsverluste schwächen, spricht man von Absorption. Ein Teil der Schallenergie wird hierbei durch Dissipation (Energieumwandlung in Wärme), Transmission (Durchlassung durch eine Trennfläche) und Absorption (Verlust der Schallenergie durch Reibung) „absorbiert“. Fast alle Objekte haben ein frequenzabhängiges Absorptionsverhalten, weswegen meist der Absorptionsgrad Alpha ( ) für bestimmte Frequenzbereiche angegeben wird. Dabei steht der Wert 0 für keine, eine 1 für vollständige Absorption. Der Wert 0,5 bedeutet, dass die Schallenergie zu 50% absorbiert wird, und 50% Restenergie übrig bleibt.⁸

2.2.3 Reflektion

Trifft ein Schallstrahl auf die Fläche eines Hindernisses, so wird er im selben Winkel reflektiert in dem er auf der Fläche aufgetroffen ist. Dieser wird aber nur voll reflektiert, wenn die Abmessung des Hindernisses mindestens der zu reflektierenden Wellenlänge entspricht. Andernfalls wird sie großenteils um das Hindernis herumgebeugt. Eine Reflektion kann folgende Auswirkungen haben:

2.2.3.1 Interferenzen

Sobald sich zwei Schallwellen aus 2 Schallquellen überlagern, wird der Schalldruck je nach Phasenlage addiert oder ausgelöscht. Das gilt auch für eine reflektierte Schallwelle, welche von der reflektierten Stelle aus als neue Schallquelle betrachtet werden kann. Wenn die Schallwellen sich phasengleich (bei 360°, 720°, 1080°...) überlagern, wird der Schalldruckverlauf beider Schallwellen addiert. An dieser Stelle wird das summierte Signal zweier Signale um bis zu 6 dB lauter. Dagegen löschen sie sich aus, wenn sie gegenphasig (180°, 540°, 900° ...) aufeinandertreffen. Das Signal kann dabei gegen minus unendlich dB reduziert werden.

Durch gleichen Abstand zu allen Lautsprechern kann man Auslöschungen gleicher Signale, welche von den Lautsprechern selbst erzeugt werden, entgehen.

2.2.3.2 Kammfilter

Komplexer wird es bei Interferenzen durch Reflektionen. Wenn sich an einem Punkt im Raum zwei hinreichend ähnliche Schallwellen überlagern, kommt es in Abhängigkeit der Phasenlage zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz. Der Phasenunterschied zwischen Direktsignal und Reflektion hängt von der Frequenz und dem Zeitunterschied " der beiden Signale ab und berechnet sich mit der Formel:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 Kammfilter für drei unterschiedliche Absorptionsgrade der reflektierenden Fläche. Die Frequenz ist auf die Frequenz der ersten Auslöschung normiert.

Quelle: [Weinzierl, 2008, S. 283]

Die Stärke des Kammfilters hängt vom Schalldruck der zweiten Schallquelle ab. Schon ab einem Schalldruck von 20 dB unter der vorauseilenden Welle wird dieser hörbar sein.⁹

Die Auslöschungen und Anhebungen setzen sich dabei durch die frequenzabhängige Phasenlage regelmäßig in der Übertragungsfunktion fort. Der Verlauf des charakteristischen Frequenzganges (Abb. 1) wird aufgrund seiner Form als Kammfilter bezeichnet.¹⁰

2.2.3.3 Stehende Wellen

Wird eine Schallwelle zwischen zwei gegenüberliegenden schallharten Wänden so reflektiert, dass sich immer gleiche Wellenverläufe der hin- und rücklaufenden Schallwellen phasengleich überlagern, entstehen „Stehende Wellen“ (auch Moden genannt). Die Laufzeit entspricht dabei dem doppelten Wandabstand geteilt durch die Schallgeschwindigkeit *. Kehrwert der Periodendauer ist die Frequenz. Daraus ergibt sich die Formel zur Berechnung der tiefsten Raummode. Diese erlaubt es, die Eigenfrequenzen, an denen eine Auslöschung oder Anhebung zwischen zwei Wänden stattfindet, zu berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Weitere Moden entstehen bei Vielfachen dieser Frequenz.

In einem dreidimensionalen, quaderförmigen Raum werden die 6 Flächen zum λ/2- Resonator, dessen Resonanzen sich in dreizehn Richtungen ausbreiten können.

- Axial zwischen zwei gegenüberliegenden Wänden (drei Richtungen),
- tangential zwischen zwei gegenüberliegenden Raumkanten (sechs Richtungen) und
- diagonal zwischen gegenüberliegenden Raumecken (vier Richtungen).

Diese können durch die folgende Formel berechnet werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Da sich stehende Wellen zwischen den sechs Begrenzungsflächen im rechteckigen Raum (inkl. der Raumecken) addieren können, gilt es ganzzahlige Vielfache der Raumabmessungen zu vermeiden. Ziel ist ein möglichst gleichmäßiges Auftreten der Moden. Dadurch werden sie nur noch als Teil des Nachhalls wahrgenommen, anstatt als Dröhnen im Bassbereich, Flatterecho in den Höhen oder Pegeleinbrüche. Überhöhungen durch Raummoden werden subjektiv nicht nur über die tonale Verzerrung wahrgenommen, sondern auch durch ein längeres und ungleichmäßiges Ausschwingverhalten des Raumes.¹¹ Sollten sich baubedingt problematische Moden nicht vermeiden lassen, gilt es diese raumakustisch in ihrem Druckmaximum zu bekämpfen.¹²

Je höher die Moden im Frequenzspektrum liegen, desto dichter treten sie nebeneinander auf. Dadurch verlieren sie an Bedeutung, da sie durch Störwirkungen und andere raumakustische Effekte überdeckt werden. Die Grenze des diffus- zum resonanzdominierten Bereich tiefer Frequenzen lässt sich anhand der Schröder-Frequenz benennen. Sie berechnet sich aus der Formel:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit zunehmendem Raumvolumen nimmt die Eigenfrequenzdichte zu. Damit wird die Übertragungsfunktion ausgeglichener, während sich die Raummoden zunehmend zu den tiefen Frequenzen hin verschieben. Sobald sie sich unterhalb der Hörgrenze befinden, verlieren sie an Bedeutung.

Studios sind aufgrund ihrer kleinen Abmessungen gegenüber der Wellenlänge tiefer Frequenzen besonders (im Gegensatz zu Kinos oder Konzertsälen) betroffen.¹³ Groß sind dagegen Räume, bei denen mindestens eine der Abmessungen größer ist als die längste Wellenlänge der abgestrahlten Frequenz.¹⁴

2.3 Das Schallfeld

Die Summe des direkt abgestrahlten Schalls und des reflektierten Schalls ergibt das Schallfeld im Raum. Da mit zunehmender Entfernung die Schallenergie des direkt abgestrahlten Schalls immer kleiner wird, gibt es nur einen begrenzten Bereich, in dem der Direktschall gegenüber dem so genannten Diffusschall überwiegt (2.1.3). Ein Schallfeld ohne Diffusschallanteil nennt man Freifeld.

2.3.1 Direktschall

Signale innerhalb des Direktfeldes klingen trocken, d.h. ohne oder mit wenig Diffusschallanteil. In der Praxis wird die Ausdehnung des Direktfeldes außer von der Größe des Raumes auch von den richtenden Eigenschaften der Schallquelle beeinflusst.

Die Schallübertragung vom Sender zum Empfänger kann stets als Filterung betrachtet werden. Dabei gelten für jeden Punkt im Raum andere Filterkurven. In kleinen Räumen äußert sich dies als kammfilterartiger Frequenzgang im Bassbereich. Hin zu hohen Frequenzen wird dieser zunehmend linear.

2.3.2 Diffusschall

Den Anteil des Schallfeldes, der durch Reflektionen im Raum entsteht, nennt man Diffusschall. Je unregelmäßiger die Raumgeometrie und Oberflächenbeschaffenheit des Raumes ist, desto besser werden Frequenzen diffus im Raum gestreut. Man kann sagen, dass ein Raum mit starkem Diffusfeldanteil angenehmer klingt als ein rechteckiger Raum mit glatten Wänden. Dieser ist jedoch stark vom Frequenzgang des Raumes geprägt, welcher den Direktschall mit Eigenresonanzen überlagert und durch frequenzabhängige Absorption verzerrt (4.1.2.4). Da das gesamte Schallfeld letztendlich in Diffusschall übergeht, spielt dessen Nachhallzeit eine entscheidende Rolle für die Akustik.¹⁵

2.3.2.1 Nachhall und Hallradius

Unter der Nachhallzeit ( ) versteht man das Zeitintervall, innerhalb dessen der Schalldruck nach plötzlichem Verstummen der Schallquelle auf den tausendsten Teil seines ursprünglichen Wertes abgeklungen ist. Dies entspricht einer Pegelabnahme von 60 dB und wird mit dem Wert RT60 (Reverb Time 60) in Sekunden angegeben. Da diese stark vom bestehenden Störpegel abhängig ist, stimmt die sog. Anfangsnachhallzeit (Early Decay Time, EDT), für einen Bereich der Pegelabnahmen um -10 dB mit der subjektiv empfundenen Nachhalldauer besser überein. Dies gilt insbesondere für kleine Lautstärken und bei laufenden Programmen.

Im Wesentlichen ist die Nachhallzeit vom Raumvolumen V (in m³ ), den schallabsorbieren- den Eigenschaften des Raums und der Frequenz abhängig. Üblicherweise wird sie als Einzelwert für die Mittenfrequenz eines Terzfilters mit der Frequenz von 500 Hz oder 1 kHz angegeben. Computergestützte Nachhallzeitmessungen werden meist aus der Steigung der rückwärtsintegrierten und logarithmierten Raumimpulsantwort (sog. Schroeder-Plot, Schroeder 1965) ermittelt.¹⁶

2. Grundbegriffe der Raumakustik

Ein RCS ist nicht in der Lage, den Nachhall eines Raumes direkt zu bearbeiten. Jedoch kann davon ausgegangen werden, dass durch eine Veränderung der Betriebsschallpegelkurve der frequenzabhängige Nachhall verändert wird.

Der sogenannte Hallradius gibt die Entfernung zur Schallquelle in Meter an, an welcher der Pegel des Direktschalls dem des Diffusschalls gleicht. Hier im Direktfeld ist der Einfluss des Raumes im Vergleich zum Diffusschall gering, weshalb der AP innerhalb dieses Hallradius anzusiedeln ist. Für ungerichtete Schallquellen lässt sich der Hallradius eines Raumes mit folgender Formel berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3.3 Zeitlicher Verlauf des Schallfeldes

Wesentlich für den Raumklang ist besonders der zeitliche Verlauf von Direkt- und Diffusschall. Der Direktschall trifft zwangsläufig als erste Schallwelle beim Hörer ein. Dieser ist bislang von den akustischen Raumeigenschaften unberührt. Dem Direktschall folgen die ersten Reflektionen, welche von den umliegenden Raumbegrenzungsflächen und Gegenständen reflektiert werden. Deren Eigenschaften sind für das Hörereignis von großer Bedeutung. Mit einer Verzögerung setzt mit zunehmender Folge der Reflektionen der sich bildende Nachhall ein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 Zeitliche Folge der Reflektionen in einem Raum bei Impulsschall

Quelle: [Dickreiter, 2013, S. 30]

Das diffuse Schallfeld baut sich um so schneller auf, je kleiner der Raum ist und je häufiger der Schall darin pro cm reflektiert wird. Wobei dies nur für Flächen gilt, deren Abmessungen kleiner als die Wellenlänge der entsprechenden Frequenz sind.¹⁷

Wie störend Reflektionen und frühe Reflektionen auf den Hörer wirken, lässt sich durch die Psychoakustik beschreiben. Die wird im nächsten Kapitel näher betrachtet.

3. Psychoakustik

3.1 Wahrnehmbarkeitsschwellen und Auswirkungen

Die subjektive Empfindung eines Schallereignisses ist von psychologischen und physikalischen Größen abhängig. Darum lässt sich eine „gute“ Raumakustik nur bedingt aus objektiv messbaren Schallfeldgrößen bestimmen.

Tab. 1 Zusammenhang zwischen psychologischen und physikalischen Größen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: [Görne, 2008, S. 336]

Da das Ohr des Nutzers letztendlich der Maßstab der Wiedergabequalität ist, wird bei der Interpretation der Messergebnisse die untere Wahrnehmbarkeitsschwelle akustischer Ereignisse berücksichtigt. Damit soll untersucht werden, ob und wie weit in der Praxis eine Korrektur für den Nutzer relevant ist.

3.1.1 Pegelunterschiede

Pegelunterschiede können sich auf die Lokalisation auswirken. Das von der Schallquelle abgewandte Ohr wird vom Kopf abgeschattet und bekommt weniger Pegel als das zugewandte Ohr. Wobei sich unter 300 Hz der Schall um den Kopf herum beugt und demnach kaum noch Pegelunterschiede zwischen linken und rechtem Ohr festzustellen sind.¹⁸

Die geringste wahrnehmbare Pegeldifferenz ist in der Regel bei amplitudenmodulierten Tönen ab 1 dB wahrnehmbar. Das gilt für Töne innerhalb eines kritischen Frequenzbandes, zwischen denen eine Pause stattfindet.

Das menschliche Hörsystem fasst zur Bestimmung der subjektiv empfundenen Lautstärke alle Schallleistungen innerhalb eines Frequenzbandes mit allen Frequenzbändern zusammen. Dabei unterteilt es den hörbaren Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz in 25 Frequenzgruppen, die jeweils mit $ [bark] gekennzeichnet werden. Würden zwei Töne unterschiedlicher Frequenzgruppen in gleicher Lautstärke wiedergegeben, so wirken diese zusammen 10 dB lauter als einer allein. Dagegen würden zwei Töne innerhalb einer Frequenzgruppe nur um 3 dB lauter empfunden werden.¹⁹ Für besonders leise Signale braucht es eine höhere Schalldruckveränderung von etwa 2 dB, um eine Pegelveränderung festzustellen.²⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3 Kritische Frequenzbänder

Quelle: [Friesecke, 2007, S. 250]

Ein primäres Qualitätsmerkmal der Wiedergabequalität ist der Amplitudenfrequenzgang. In der Praxis wird dieser meist terzgeglättet angezeigt, weil er so der Frequenzauflösung des Gehörs am nächsten kommt. Korrekturen von Einbrüchen, die erst in einer feineren Auflösung sichtbar wären, haben aufgrund der kritischen Frequenzbänder und Maskierungseffekte geringe Relevanz für die Wiedergabequalität breitbandiger Signale wie Sprache oder Musik. Diese werden großenteils aufgrund der genannten Eigenschaften des psychoakustischen Hörsystems überdeckt.²¹

Abb. 4 Kleinster wahrnehmbarer Pegelunterschied eines 1-kHz-Tones. Die Pause zwischen zwei Tönen beträgt 200 ms.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: [Fastl, H., & Zwicker, 2007, S. 181]

3.1.2 Frequenzunterschiede

Da ein RCS den Pegel nicht während des Betriebs, sondern erst beim Einschalten amplitudenmoduliert, ist hier mehr der Fokus auf die eben wahrnehmbare Frequenzänderung zu setzen. Eine Veränderung in den Mitten und Höhen wird bei 0,7%, also 0,007 * f der jeweiligen Frequenz wahrgenommen. Unter 500 Hz wird nur noch eine Veränderung über 3,6 Hz wahrgenommen.

Abb. 5 Wahrnehmbarkeitsschwelle der Frequenzänderung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: [Fastl, H., & Zwicker, 2007, S. 183]

Wenn auf direkte Unterschiede einer Frequenzänderung geachtet wird, sinkt die Unterscheidungsschwelle um den Faktor 3. Das heißt, ein Unterschied wird schon bei Δ1 Hz unterhalb von 500 Hz festgestellt. Darüber bei einer Änderung der Frequenz um 0,2%.²²

3.1.3 Phasenunterschiede

Phasenunterschiede können sich als Zeitfehler der Schallreproduktion äußern. Dies kann auch als Delay betrachtet werden, bei dem meist nicht der gesamte Kanal, sondern nur bestimmte Frequenzen verzögert werden. Dabei können beispielsweise die Mitten zu spät, Bässe und Höhen jedoch zeitrichtig wiedergegeben werden. Die Ursache liegt hier in einer Zeitverschiebung innerhalb (Intrachannel) der Wiedergabekanäle oder zwischen ihnen (Interchannel).

Der geringste wahrnehmbare Laufzeitunterschied zwischen linkem und rechtem Ohr liegt bei ca. 10 μs. Das entspricht einer Phasenverschiebung von 3,6°. Jedoch ergibt erst eine Verspätung von etwa 30 μs zwischen Stereo-Lautsprechern eine Lokalisationsunschärfe von 2° bis 3°.

Bei seitlichem Schalleinfall ist der Laufzeitunterschied zwischen linkem und rechtem Ohr maximal. Der bevorzugte Weg über die Stirn misst 0,63 ms, obwohl es auch einen kürzeren Weg über den Hinterkopf mit 0,4 ms gibt. Aus diesem Grund ist die Lokalisation bei seitlichem Schalleinfall deutlich schlechter. Sie liegt bei 12° bis 18°. Tatsächlich hörbare Auswirkungen auf ein Signal haben Phasenfehler erst ab 1 ms. Das entspricht einem 1 kHz Signal einer bei Verschiebung des Signals um 360°.

Die Auswirkungen eines verzögerten Schallereignisses hängen von der zeitlichen Differenz der beiden Schallereignisse ab. Je nachdem, ob das verzögerte Signal aus derselben Richtung wie das Originalsignal, oder durch Reflektion aus verschiedenen Richtungen kommt, treten unterschiedliche Effekte auf. Der Effekt, der in jedem Fall eintritt, ist der Kammfiltereffekt (2.2.3.2).

3.1.3.1 Phasenversetzte Signale aus gleicher Richtung

Als Beispiel sei an dieser Stelle ein Mehrwegelautsprecher genannt. Dabei strahlt der Hochtöner an seiner Trennfrequenz das gleiche Signal im selben Pegel wie der Tieftöner ab. Dabei kann es passieren, dass durch Phasenverschiebungen in der Frequenzweiche die Signale nicht zeitgleich abgestrahlt werden. In der Praxis liegt der Phasenversatz zwischen 20 μs und 200 μs. Dies kann dazu führen, dass Phantomschallquellen nicht scharf abgebildet, in die Breite gezogen werden, oder dass durch den Kammfiltereffekt die Lokalisation in eine andere Richtung versetzt wird. Letzteres ist auf den Kammfilter innerhalb der Ohrmuschel zurückzuführen. Wie dieser den Frequenzgang verzerrt, hängt damit zusammen, aus welcher Richtung das Signal eintrifft und wie sich dieser bei einer Kopfneigung verändert. Das Gehirn lokalisiert daraus (Abb. 6), auf Erfahrung basierend, die Schallquelle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6 Reflexionen an der Ohrmuschel bestimmen die Richtungslokalisation

Quelle: [Friesecke, 2008, S. 273]

Zudem kann die räumliche Tiefe einer Mischung darunter leiden. Abgesehen von den Klangverfärbungen im Frequenzgang treten weitere psychoakustische Effekte auf.

3.1.3.2 Phasenversetzte Signale aus unterschiedlichen Richtungen

Durch mehrfache Reflektion im Raum kann ein Schallereignis einige Millisekunden nach der ersten Wellenfront am AP eintreffen. Man unterscheidet dabei zwischen einer Zeitverzögerung kleiner 2 ms, 1 ms bis 30 ms und über 30 ms.

Liegt die Zeitverzögerung gleicher Signale aus unterschiedlicher Richtung unterhalb von 2 ms, so verschiebt sich die Lokalisation des Signals. Während aus einem Laufzeitunterschied bis 0,9 ms eine lineare Verschiebung aus der Stereomitte folgt, wird über 1,5 ms das Signal annähernd nur noch aus einem Lautsprecher wahrgenommen. Der Effekt kann durch Pegelunterschiede verstärkt werden. So verschiebt sich die Lokalisation eines um 0,5 ms verzögerten Signals, das um 4 dB leiser ist, um 85% anstatt 50%.

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Abb. 7 Lokalisationsverschiebungen durch Laufzeitunterschiede

Quelle: [Friesecke, 2008, S. 399]

Oberhalb einer Verzögerung von 2 ms tritt bis zu einer Pegeldifferenz von 10 dB bei 17 ms der Präzedenzeffekt ein. Dieser besagt, dass zwischen zwei gleichen Ereignissen unterschiedlicher Laufzeit die Lokalisation bei der ersten Wellenfront bleibt. Der Zeitbereich, in dem die Lokalisation bei dem Direktsignal verbleibt, nennt man „HaasBereich“. Der Effekt wird z.B. im Live-, oder Kinobereich dazu verwendet, die Aufmerksamkeit auf der Leinwand zu zentrieren oder die Lautstärke am AP zu vergrößern.²³ Der Präzedenzeffekt ist dann besonders effektiv, wenn das Spektrum der vorhandenen Reflektionen dem des Direktschalls möglichst ähnlich ist.²⁴

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 8 Haas-Bereich

Quelle: [Friesecke, 2008, S. 276]

Verzögerungen über 30 ms werden als Echo wahrgenommen. Wann genau ein Signal vom Haas-Bereich in ein Echo übergeht, hängt von der Signalart ab. Kurze perkussive Signale werden in der Regel wesentlich früher als Echo wahrgenommen. Echos verschlechtern die Sprachverständlichkeit und die Lokalisation der Schallereignisse.²⁵

[...]

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¹ Vgl. Görne, 2015 S. 27ff.

² Vgl. Dickreiter, 2013 S. 13

³ Vgl. Friesecke, 2007, S. 15f.

⁴ Vgl. Görne, 2015, S. 43

⁵ Vgl. Görne, 2015, S. 35ff.

⁶ Vgl. Dickreiter, 2013, S. 21

⁷ Vgl Friesecke, 2007, S. 31f.

⁸ Vgl. Fasold & Veres, 2003, S65f.

⁹ Vgl. Weinzierl, 2008, S. 283

¹⁰ Vgl. Friesecke, 2007, S 31ff.

¹¹ Vgl. Goossens & Gutmann, 2008, S. 7

¹² Vlg. Friesecke, 2007, S. 52ff.

¹³ Trikustik GesmbH, kein Datum

¹⁴ Vgl. Görne, 2015, S. 80

¹⁵ Vgl. Friesecke, 2007, S. 86ff.

¹⁶ Vgl. Weinzierl, 2008, S. 188f.

¹⁷ Vgl. Dickreiter, 2013, S. 29f.

¹⁸ Vgl. Friesecke, 2007, S. 267

¹⁹ Vgl. Friesecke, 2007, S. 362 ff.

²⁰ Vgl. Fastl & Zwicker, 2007, S. 180f.

²¹ Weinzierl, 2008, S. 473

²² Vgl. Fastl & Zwicker, 2007 S. 183ff.

²³ Vgl. Friesecke, 2007, S. 275ff..

²⁴ Vgl. Goertz & Makarski, 2008, S. 6

²⁵ Vgl. Friesecke, 2007, S. 278f.