Das Thema Raumakustik als Vortrag aufgearbeitet - Überblick und Theorie

[Oromis]

Hallo liebe Musiker-Board-Community!

Ich beschäftige mich seit einiger Zeit mit dem Thema Raumakustik, da ich selbst ein kleines Heimstudio eingerichtet habe und ich möchte, dass meine Boxen möglichst gut klingen. Ich fand das Thema so interessant, dass ich es im Rahmen eines Seminars in meinem Physikstudiengang vorgetragen habe. Da ich mir viel Wissen auch über Foreneinträge angeeignet habe, möchte ich nun meinen Teil dazu beitragen und stelle euch hiermit eine kommentierte Version des Vortrages zur Verfügung.
Lange Zeit schwirrten Einzelheiten zu dem großen Thema Raumakustik in meinem Kopf herum während das Gesamtbild fehlte. Mit diesem Vortrag habe ich versucht die einzelnen Themen sinnvoll zu ordnen und eben einen Überblick über das ganze Feld zu geben. Durch Lesen dieses Dokumentes alleine wird man noch keinen Raum akustisch optimieren können, aber ich hoffe, dass man damit das Gesamtbild sieht und weiß an welchem Punkt man sich durch Foreneinträge oder Bücher weiter einlesen muss, um diese umsetzen zu können.

Es ist immer schwer einen Vortrag anhand der Powerpoint-Folien zu verstehen, daher habe ich an den wichtigen Stellen Notizen hinzugefügt. Ihr solltet mathematisch und physikalisch nicht ganz unversiert sein - z.B. sollte die Formel f = c/lambda bekannt sein und mit ihr umgegangen werden können.
Die ersten Seiten sind sehr formellastig - bitte lasst euch davon nicht abschrecken. Ihr könnt diese auch einfach überspringen. Bei Fragen, Unklarheiten und Anregungen freue ich mich, wenn ihr mich kontaktiert. Ich nehme dies dann in das Dokument auf.

Ich decke folgende Bereiche ab bzw. verschaffe über folgende Bereiche einen Überblick:

Wahrnehmung und Schall:
- Schalldruck / Schallschnelle
- Einheit Dezibel
- Hörbewertungen

Der unbehandelte Raum:
- Messtechnik: Messprinzip, Equipment
- Stehende Wellen: Berechnung und Messung von Raummoden, Frequenzgang eines Raumen, Wasserfaldiagramm
- Nachhall: Direkt-/Diffusschall, Berechnen und Messen der Nachhallzeit, Impulsantwort, Reflektionspunkte finden

Raumplanung und Bauelemente:
- Aufstellung der Lautsprecher: Stereodreieck und Beugung
- Bauelemente: Poröse Absorber gegen die Schallschnelle (Berechnungen zur Dicke) und Resonatoren gegen den Schalldruck (Berechnungen zum Helmholtzresonator)
- Aufstellung von Bauelementen
- Eierkartons und Noppenschaumstoff

Ergänzend:
- Links zu: Webseiten für Berechnungen, Freeware-Messprogramm, Büchern, günstiger Schaumstoffhandel

Nicht enthalten:
- Berechnungen zu Platten-/Loch- und Schlitzresonatoren
- Das Thema Diffusoren


Link zum Dokument:
https://dl.dropbox.com/u/13673447/Raumakustik/Raumakustik_Musiker-Board.pdf (Version vom 03.01.2013)


Viele Grüße
Oromis

 

[phess90]

Hallo und Danke für Deine Präsentation. Ich mag nicht über's Ziel hinaus schießen wollen, aber im Grund genommen sind Bel oder dB keine Einheit sondern ein Maß. Du schreibst ja selbst, dass es das Verhältnis zweier Größen ist.
Witzig ist vor allem, dass man bei bestimmten Frequenzen keinen Ortsrichtigen Höreindruck hat. Deshalb ist es auch fast egal wo der Subwoofer steht. Werden nicht auch anstelle von Deltaimpulsen Chirpsignale in der akustischen Messtechnik verwendet? Du hast zwar stehende Wellen und Moden angesprochen aber nichts zur Resonanz, z.b. eines Tisches oder anderer Gegenstände die nicht klingen sollten. Oder ist das die 53Hz Mode? Hast du bei der FFT den THD berechnet? Bist du in deiner Präsentation auch auf Interferenz eingegangen (ich weiß, dass Beugung ein Interferenzphänomen ist )

 

[The_Dark_Lord]

Werden nicht auch anstelle von Deltaimpulsen Chirpsignale in der akustischen Messtechnik verwendet?

Auch.
Die C414-Mikrofone bei AKG werden beispielsweise einzeln mittels Chirp-Signalen eingemessen, und die Messdaten dem Exemplar beigelegt.



Was vielleicht noch gesagt werden sollte: Delta-Impulse können nicht absolut richtig erzeugt werden, das ist richtig, aber man verwendet sehr oft Näherungen - beispielsweise einen platzenden Luftballon.
Lacht nicht, genau so haben wir vor zwei Monaten einen Hörsaal an der TU Wien vermessen

 

[Oromis]

Hallo ihr beiden und Danke für die Kommentare

Zunächst mal noch eine Info: Der Vortrag war auf 1-1,5 Stunden angelegt - daher musste ich stark kürzen. Einige Themen hätte ich gerne ausführlicher behandelt, aber in der Zeit ist vom Umfang her einfach nicht mehr als ein Überblick drin.

Hallo und Danke für Deine Präsentation. Ich mag nicht über's Ziel hinaus schießen wollen, aber im Grund genommen sind Bel oder dB keine Einheit sondern ein Maß. Du schreibst ja selbst, dass es das Verhältnis zweier Größen ist.
Witzig ist vor allem, dass man bei bestimmten Frequenzen keinen Ortsrichtigen Höreindruck hat. Deshalb ist es auch fast egal wo der Subwoofer steht.

Bei der "Einheit" dB hast du natürlich recht. Ich habe das sprachlich immer so verwendet und darum ists auch so in die Präsentation reingerutscht. Bei der Position des Subwoofers bin ich mir ehrlich gesagt nicht wirklich sicher:
Gelesen habe ich aufjedenfall, dass man Bässe nicht orten kann (warum weiß ich nicht). Also ist es für das Gehirn erstmal egal wo der Subwoofer steht - aber man regt ja an unterschiedlichen Raumpositionen die Raummoden unterschiedlich an. Daher bin ich beim Einlesen zu dem Thema oft drauf gestoßen, dass die Subwooferaufstellung besonders heikel ist und man damit oftmals die Basswiedergabe verschlimmbessert. Da ich aber selbst ein 3-Wege-System mit 10" Tieftönern habe, habe ich mich in die Thematik nicht besonders eingelesen.

Werden nicht auch anstelle von Deltaimpulsen Chirpsignale in der akustischen Messtechnik verwendet?

Ja das ist tatsächlich so - ich bin mir aber nicht ganz sicher wo die Unterscheidung zwischen logarithmischem Sinussweep und einem Chrip Signal ist.
Auf dieser Seite findet sich ein Messprogramm das mit MLS und Chrip arbeitet: http://www.winaudiomls.de/joomla/index.php/de/ kostet aber einen Haufen Geld.

Übrigens: Weißt du eigentlich wie man eine Impulsantwort aus einem gesendeten und aufgenommenen Signal berechnet? Ich habe das einfach nicht hinbekomme (habe das versucht mit Matlab nachzurechnen) und beim Recherchieren zum dem Thema ging es sehr in Richtung Signaltheorie, wo ich dann einfach nichts mehr verstanden habe. Ich habe die Zeitverschiebung der beiden Signale herausgerechnet und dann einmal versucht die Fouriertransformierten davon durcheinander zu teilen, aber da kam nur Müll raus.

Du hast zwar stehende Wellen und Moden angesprochen aber nichts zur Resonanz, z.b. eines Tisches oder anderer Gegenstände die nicht klingen sollten. Oder ist das die 53Hz Mode? Hast du bei der FFT den THD berechnet? Bist du in deiner Präsentation auch auf Interferenz eingegangen (ich weiß, dass Beugung ein Interferenzphänomen ist )

Die 53 Hz Mode ist die 3. Mode längs des Raumes. Resonanzen von Gegenstände (und auch Reflektionen vom Arbeitstisch) habe ich nicht angesprochen, ganz einfach weil mir die Zeit gefehlt hat Ich musste übrigens gerade erstmal nachlesen was der THD ist (ich beschäftige mich erst seit August mit Raumakustik ) - nein den habe ich nicht berechnet. Wüsste jetzt aber wenigstens wie es geht. Auf Interferenz bin ich nicht eingegangen, weil das Thema eigentlich jedem der Zuhörer klar gewesen sein dürfte, oder hast du etwas spezielles im Kopf?

Was vielleicht noch gesagt werden sollte: Delta-Impulse können nicht absolut richtig erzeugt werden, das ist richtig, aber man verwendet sehr oft Näherungen - beispielsweise einen platzenden Luftballon.
Lacht nicht, genau so haben wir vor zwei Monaten einen Hörsaal an der TU Wien vermessen

Habt ihr da auch die Impulsantwort grafisch dargestellt? Weiter oben steht nämlich meine Frage dazu, habe das nicht geschafft weil mir die Theorie dazu gefehlt hat.

 

[phess90]

Hallo!
Habe selbst vor Jahren das Experiment gemacht blind im Freien verschiedene Signalquellen orten zu müssen. Das ist in der Tat einfach die Physiologie des Hörens. Dass durch Reflexion usw. die Basswiedergabe anders wahrgenommen wird im Raum kann natürlich sehr wohl sein. Ich habe meinen Subwoofer auch vom Boden entkoppelt beispielsweise.

Da man hier nicht spoilern kann bitte ich alle, die das nicht interessiert Folgendes zu überlesen.

Dir ist aber die Fouriertransformation, das Parsevaltheorem, die Ausblendeigenschaft der d-Funktion und das Nyquist-Shannon Abtasttheorem bekannt?
Die Impuslantwort erhält man entweder durch Faltung oder durch Multiplikation - je nachdem ob man im Frequenz- oder Zeitbereich des Systems ist, ganz egal ob man diskretisiert oder nicht.
Bei einem Chripsignal ändert sich die Frequenz mit der Zeit. Ich habe mal eine akustische Abstandsmessung mit einem exponentiellen Chirp gemacht (Messtechnik Praktikum), und auch Aliasing untersucht.
Die Übertragungsfunktion beschreibt ja allgemein bei einem LZI System die Abhängigkeit des Ausgangs vom Eingang und stellt das multiplikativ überlagerte Frequenzverhalten dar. ist y(t) das Eingangssignal und u(t) das Ausgangssignal dann ist G(f)=Y(f)/U(f) die Übertragungsfunktion wenn Y(f) u U(f) von y(t) u u(t) die Fouriertransformierten sind.
Wenn du das Signal x(t) aus einem Abgetasteten generieren willst lässt du es erstmal über einen Bandpassfilter laufen. Dann hast du ein Amplitudenmoduliertes Signal X =x(t)p(t) wobei p(t) Harmonische sind.
also: (Nachicht + Konstante) * Pulse --> @BPF = Nachicht
Dann noch einen Demodulator hinterher und du hasts.
Aber du wolltest ja die Impulsantwort, beispielsweise für ein FIR System mit einem sinc und der Fensterfunktion:
y(n) ausgang = h(n) X x(n) mit X (großX) als Faltung im diskreten - du würdest das alles ja eh in einen A/D Wandler schicken.
dann hast du H(k) als endlichen Nenner spektraler Punkte zwischen 0-0,5 fs (samplingfrequency). Wenn du dann die phasepoints spezifizierst und die komplex inverse FFT machst hast du die Impulsantwort.

Also Beispielsweise: u(t) = sum_ s(nT) d(t-nT) = s(t) sum_ d(t-nT) mit n als Laufindex von -unendlich bis +unendlich, T als Abtastzeit und d als delta. Also die Form eines Kamms. Eine imZeitbereich definierte periodische Impulsfunktion hat als Fouriertransformierte eine periodische Impulsfunktion im Frequenzbereich.
dann ist die Fouriertransformierte U(f)=F sum_ S(f-nF) .. mit fs >2f kannst du S(f) zurückgewinnen wenn du es mit nem Rechteck multiplizierst (Filter): (weil eine Faltung im Zeitbereich dem Produkt der entsprechenden Fouriertransformierten im Frequenzbereich entspricht)
S(f)=T U (f) rect(f/f0), wobei T=1/F
das zurücktransformiert liefert dann
s(t)=sum s(nT) si(pi *[t-nt]/T), und die si /sinc funktion ist ja bekannt.

PUH - also, ich würde es so erklärt nicht verstehen. Kann gut nachvollziehen, weil das schlecht erklärt ist.
Aber ich verweise einfahc mal auf den Frey/Bossert und den Proakis.
Zudem frage ich mal meinen Prof, ob ich Dir die Seminarvorträger meiner Kommolitonen zur Verfügung stellen darf. Da ist das alles viel besser, kurz und bündig erklärt.
Da gehts um lineare messtechnische Systeme (Impulsantwort, Übertragungsfunktion), Abtastung, Diskretisierung und Rekonstruktion von Signalen, Frequenz- Amplituden - Phasenmessung im Zeit-/Frequenzbereich, Faltung und Korrelation, Fouriertransformation, DFT, FFT und Zeit-Frequenz-Analyse.

 

[The_Dark_Lord]

Bei der "Einheit" dB hast du natürlich recht. Ich habe das sprachlich immer so verwendet und darum ists auch so in die Präsentation reingerutscht. Bei der Position des Subwoofers bin ich mir ehrlich gesagt nicht wirklich sicher:
Gelesen habe ich aufjedenfall, dass man Bässe nicht orten kann (warum weiß ich nicht).

Das steht auf Wikipedia sehr, sehr schön erklärt:
http://de.wikipedia.org/wiki/Lokalisation_(Akustik)#Auswertung_bei_tiefen_Frequenzen

Also ist es für das Gehirn erstmal egal wo der Subwoofer steht - aber man regt ja an unterschiedlichen Raumpositionen die Raummoden unterschiedlich an.

Genau da ist der springende Punkt - es ist zum Hören erstmal egal, wo der Sub steht (er muss allerdings die gleiche Entfernung von der Hörposition haben wie die Satellitenboxen -> damit der Direktschall gleichzeitig mit dem Direktschall der Mittel/Hochtöner eintrifft.
Man positioniert ihn dann so, dass die Raummoden möglichst wenig angeregt werden, um Überbetonung dieser Frequenz zu vermeiden.

Ja das ist tatsächlich so - ich bin mir aber nicht ganz sicher wo die Unterscheidung zwischen logarithmischem Sinussweep und einem Chrip Signal ist.

Ein Chirp ist schlicht ein Signal, dessen Frequenz sich stetig ändert.
Ein logarithmischer Sinussweep ist also EIN mögliches Chirp-Signal. Ein linear ansteigender oder exponentiell ansteigender Sweep sind andere Möglichkeiten.
(Die heißen übrigens "Chirp", weil sie ein bisschen wie Vogelzwitschern klingen -> engl. "to chirp")

Übrigens: Weißt du eigentlich wie man eine Impulsantwort aus einem gesendeten und aufgenommenen Signal berechnet?

Das müsste über Dekonvolution gehen ("Entfaltung"), aber da bin ich nicht ganz firm.

Habt ihr da auch die Impulsantwort grafisch dargestellt? Weiter oben steht nämlich meine Frage dazu, habe das nicht geschafft weil mir die Theorie dazu gefehlt hat.

Das verwendete Messgerät (Norsonic, mit Nor1225 Mikrofonen) gibt keine Audio-Datei aus sondern Messwerte (Zeitpunkt und Schalldruck) - die kann man relativ leicht als Punkt-X-Y-Diagramm darstellen, zB in Excel.
Das haben wir gemacht, ja.

 

[ThomasT]

Hi,

Ergänzungen und Anmerkungen von mir. Herausragend positiv zu nennen ist die Darstellungen der Raummoden. Bei den meisten herrscht immer noch die Vorstellung ausschliesslich der Axialen Moden vor.
Ansonsten meine Kritikpunkte, die nicht den Eindruck erwecken sollen ich fände den Vortrag schlecht.

1. Die Diff-Gleichungen und Formeln zum Schallfeld müssen anscheinend sein. Braucht aber hier erstmal niemand.

2. bei der gehörrichtigen Lautstärke fehlt mir die optimale empfohlene Abhörlautstärke von 85dB SPL. Auch wegen Hörschädigungen.

3. Moden ok. Aber die Unterteilung des Raumes in Druckzone, Modenbereich und den Bereich ab wann man Schall als Strahlen berücksichtigen kann fehlt mir hier. Stichwort Schröderfrequenz.

4. Hasseffekt und Initial time delay gap. Zwischen 10ms und 30ms sollten im Abhörraum keine Reflexionen sein. Diese verschmieren den Stereoeindruck. Der Haas-Effekt gilt genaugenommen für reale Schallquellen, nicht für Phantomschallquellen.

5. Zum Stereodreieck hatte ich bei mir schon was geschrieben. http://www.coldgroundstudio.de/tontechnik/homestudio.html Lieber näher dran. Das 60°-Stereo-Dreieck nicht (nur) als Ideal, sondern als Maximum ansehen. Man kann auch näher dran sitzen.

6. Man könnte noch als Sonderform der Bassabsorbtion die im angelsächsichen Raum beliebten Bass-Hangars erwähnen um deren Funktionsprinzip sich auch Mythen ranken.
http://www.retrogradestudios.com/images/studio finishes/98.3 CR Bass Trap Hangers.jpg

AFAIK arbeiten sie durch Impedanzänderung des Schallfeldes (für Basswellen).

 

[The_Dark_Lord]

2. bei der gehörrichtigen Lautstärke fehlt mir die optimale empfohlene Abhörlautstärke von 85dB SPL. Auch wegen Hörschädigungen.

Ich kenn das so:

83 dBSPL für Stereo
85 dBSPL für Surround

So sagte mir das mein Professor, und steht's auch im Handbuch meiner Monitore drin..

 

[ThomasT]

Möcht mal wissen wer ohne direkten AB-Vergleich die 2 dB heraushört.

Bei mir sinds oft um die 90. Bei Drumtracking auch mal mehr. Beim Mischen auch mal weniger.

 

[The_Dark_Lord]

Niemand kann das natürlich hören, aber irgendwie muss man einen Standard ja definieren, und der wurde im Dolby Surround-Format eben auf 85 dB SPL festgelegt, bzw für Stereo auf 83 dB SPL (in SMPTE RP 200)


PS: Es "gibt" Leute, die "hören" noch ganz andere Sachen...

 

[ThomasT]

PS: Es "gibt" Leute, die "hören" noch ganz andere Sachen...

Die nennen sich aber "Hifi-Fans".

 

[topo]

Möcht mal wissen wer ohne direkten AB-Vergleich die 2 dB heraushört.

Ich kenne ein "Weibchen", bei dem 2db mehr oder weniger des Radioweckers am Morgen darüber entscheiden, ob es/sie pünktlich zur Arbeit kommt oder nicht.

Topo

 

[Oromis]

Hallo ThomasT! Vielen Dank für deine Kritik. Deine Rückmeldung bringt mir sehr viel, darüber freue ich mich.

Die Diffgleichungen am Anfang sind wirklich abschreckend - ich entferne sie vielleicht noch oder schiebe die Folie als Vertiefung in die Notizen. Bei den Seminarvorträgen muss man auch immer ein bisschen schauen, was der Professor hören möchte. Die Schröderfrequenz und das dazugehörige kannte ich bisher noch gar nicht. Der Rest ist auch sehr interessant zu lesen.
Vielen Dank dafür!