Raumakustik

Der Raum, oder warum stehen die Wellen hier herum?


Insbesondere im Bassbereich wird der Höreindruck am Hörplatz sehr stark durch die Raumrückwirkung (Wandreflexionen) beeinflusst.
In jedem Raum mit parallelen Wänden gibt es bei bestimmten Frequenzen so genannte 'stehende' Wellen, die aufgrund ihrer Wellenlänge 'gut' zwischen die parallelen Wände passen.

Für die Wellenlänge Lambda gilt:

Lambda = c/f
mit
c - Schallgeschwindigkeit der Luft, ca. 340 m/s bei 20°C
f - Frequenz in Hz

Nach der Frequenz aufgelöst gilt:

f = c/Lambda

Wenn der Abstand der parallelen Wände gerade dem Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht, dann passen die Wellenlängen 'gut' und es gibt 'stehende' Wellen, also eine Schalldruckerhöhung. Die Frequenz, bei der das passiert, nennt man auch Resonanzfrequenz oder Raummode.
Für eine Raumlänge von 5.00 m gilt dieses z.B. für die Frequenzen mit den Wellenlängen 10.00 m, 5.00 m, 3.33 m, 2.50 m, 2.00 m etc., also für die Frequenzen 34.0 Hz, 68.0 Hz, 102.0 Hz, 136.0 Hz, 170.0 Hz etc..

Damit eine 'stehende' Welle wirklich angeregt werden kann, muss der Schalldruck in unmittelbarer Nähe der Wand oder im Abstand x*Lambda/2 von der Wand erzeugt werden.
Im Abstand (x+0.5)*Lambda/2 von der Wand lässt sich die 'stehende' Welle überhaupt nicht anregen.

Damit eine eventuell angeregte 'stehende' Welle wirklich als störend empfunden wird, muss sich der Empfänger ebenfalls an einer Stelle von erhöhtem Schalldruck befinden, also in unmittelbarer Nähe der Wand oder im Abstand x*Lambda/2 von der Wand entfernt.
Befindet sich der Empfänger im Abstand (x+0.5)*Lambda/2 von der Wand entfernt, dann wird eine ggf. tatsächlich angeregte 'stehende' Welle nicht wahrgenommen.

Eine ausgewogene Wahrnehmung ergibt sich, wenn man bei etwa (x+0.5)*Lambda/4 anregt und empfängt.

Für dieses Problem gibt es eine sehr einfache graphische Lösung:

  1. Man zeichnet die Abmessungen des Raumes (zunächst Länge und Breite) etwa maßstabsgerecht auf.
  2. Man malt die Wände mit einem dicken Filzstift nach. Das soll daran erinnern, dass bei einer Schallanregung an diesen Stellen 'stehende' Wellen besonders gut angeregt werden können.
  3. Zunächst halbiert man z.B. die Länge und malt diese Halbierende wieder mit einem dicken Filzstift nach (richtig: auch hier kann eine 'stehende' Welle gut angeregt werden, und zwar bei der doppelten Frequenz)
  4. Danach drittelt, viertelt, fünftelt etc. man z.B. die Gesamtlänge solange (und malt alle X-tel-Linien wieder mit einem dicken Filzstift nach), bis der Abstand von zwei beliebigen X-tel Linien nur noch etwa 30 cm beträgt.
  5. Dasselbe wird nun für die Breite gemacht. Es ergibt sich für die Aufsicht des Raumes ein Netzwerk aus dicken Linien.
  6. Jetzt ist die Seitenansicht des Raumes an der Reihe. Auch hier ergibt sich ein Netzwerk von Linien.
  7. An jeder dieser Linien kann man eine 'stehende' Welle besonders gut anregen. Zu jeder dieser Linien gehört eine Resonanzfrequenz, die man ausrechnen und an die Linie schreiben sollte.
  8. Die 'Kunst' der Wahl von Quell- und Empfangsposition ist nun:
  • die Kombination 'gut anregen' und 'gut wahrnehmen' ist für ALLE Frequenzen UNBEDINGT zu vermeiden
  • die Kombination 'nicht anregen' und 'nicht wahrnehmen' ist für ALLE Frequenzen zu vermeiden
  • am günstigsten sind die Kombinationen 'normal anregen' und 'normal wahrnehmen'

Zur Berechnung der Wiedergabeeigenschaften eines Rechteckraumes in Abhängigkeit von den Lautsprecher- und Hörpositionen verwende ich gerne das Programm AKUSTIKA V6.0, das es mittlerweile leider nicht mehr als kostenlosen Download gibt. Ursprünglich wurde es in GFA-Basic für den ATARI 520 geschrieben, die Umsetzung auf den PC hakt an einigen Stellen (die meisten Werte muss man zweimal eingeben, die Taskleiste sollte man in den Hintergrund schalten und die Bildschirmauflösung am besten auf 640 x 480), aber das Programm rechnet relativ schnell, so dass man sich auch mit einem 400 MHz-Rechner einen Überblick über die Phänomene machen kann

Alternativ kann ein sehr schneller JAVA-Calculator verwendet werden, der neben dem Frequenzgang im Raum auch die Nachhallzeit berechnet, wobei auch der Einfluss von Absorberelementen berücksichtigt werden kann (JAVA muss vor dem Start des Browsers aktiviert sein). Sehr schön ist, dass der Frequenzgang neu berechnet wird, sobald die Lautsprecher- oder Hörposition geändert wird. So kann man spielerisch ein Gefühl für die Zusammenhänge erlangen. Die hohe Geschwindigkeit legt nahe, dass nicht allzu viele Spiegelquellen berücksichtigt werden. Dort gibt es auch ein schönes JAVA-Applet zur Berechnung und Visualisierung von Raummoden. Wenn man auf ein Element in der rechten Spalte "zeigen" klickt, dann wird die Schalldruckverteilung bei flächenförmiger Anregung der beteiligten Wände auch optisch dargestellt.

Die meisten Leute hören jedoch nicht in unmöblierten Rechteckräumen, deren einzelne Flächen (Boden, Decke, Wände) ein über der Fläche und der Frequenz gleichmäßiges Absorptionsverhalten haben. Daher können die Ergebnisse eines solchen Simulationsprogramms nur eine Annäherung der wirklichen Verhältnisse darstellen (wer viel Geduld bei der Eingabe der Geometrie und einen sehr! schnellen Prozessor hat, der kann es in solchen Fällen mit CARA versuchen).
Darüber hinaus muss auch zwischen der Wiedergabe quasistationärer tiefer Frequenzen (z.B. Orgel oder gestrichener Bass) und impulsförmiger Signale mit tieffrequenten Anteilen (z.B. Bass-Drum oder gezupfter Bass) unterschieden werden. Im ersten Fall können sich Raumresonanzen sehr stark bemerkbar machen, im zweiten Fall schwingt das Resonanzsystem Raum kaum ein.

 

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