Der durchschnittliche Luftdruck in unserer Umgebung
beträgt 1 Bar. In der Akustik rechnet man mit der Einheit
Pascal.
1 Bar = 1000 Hektopascal = 100 000 Pascal (Pa)
0,1 Pa = 1 Bar (= eine mittlere Schalldruckänderung hervorgerufen durch rufen).
0,01 Pa = normale Sprecherstimme.
Der Schallgeschwindigkeit ist stark abhängig von der Temperatur des Mediums. Pro Grad Luftdruck steigt die Schallgeschwindigkeit um 6 m/s.
Der kleinste wahrnehmbare Schalldruck ist 2*10-5 Pa. Die Schmerzgrenze liegt bei 150 Pa. Weil der Bereich zwischen kleinstem wahrnehmbaren Schalldruck und der Schmerzgrenze so groß ist (7stellig), benutzt man das logarithmische Maß dBSPL
SPL ist der kleinste wahrnehmbare Schalldruck.
Der mittlere Schalldruckpegelbereich ist 50-80 dB.
Folgende Formel zeigt das Verhältnis von Schalldruck und Pegel:
Was ist eigentlich Schall? Die Definition lautet: Schall ist eine mechanische Schwingung in einem elastischen Medium.
Ist die Schwingung regelmäßig, hört man einen Ton, ist sie unregelmäßig, hört man ein Geräusch.
Definition Ton (im physikalischen Sinne): Ein Ton
ist eine Sinusschwingung, also eine Schwingung ohne Obertöne.
Definition Klang: Ein Klang besteht aus Grundton und Obertönen.
Befindet sich die Frequenz unterhalb 20 Hz, ist sie
nicht mehr hörbar, man bezeichnet dies als Infraschall. Ist
die Frequenz dagegen größer als 20 kHz, so spricht
man von Ultraschall.
Jeder Klang ist mit der Fourieranalyse in die verschiedenen
Sinustöne zerlegbar. So ergibt ein Grundton mit allen ungeraden
Vielfachen eine Rechteckschwingung.
Aufgabe: Berechnen Sie die Frequenz der ersten Auslöschung
bei einem Kammfiltereffekt:
Abbildung 1
T = 10 ms.
f = 1/t
f = 50 Hz.
Der Einschwingvorgang und die Obertöne geben
einem Instrument die typische Klangfarbe.
Beim lauten Sprechen enthält das Signal mehr Obertöne, dadurch wird es gerichteter. Deshalb gilt: eine Erhöhung der Lautstärke verändert auch den Klang.
Je höher der Grundton ist, desto weniger Obtertöne
enthält er. Dadurch werden hohe Klänge durchsichtiger
und klarer.
Die Schallschnelle ist die Bewegungsgeschwindigkeit
der Luftmoleküle.
Je größer die Entfernung von der Schallquelle
ist, desto gradliniger wird die Wellenform (ebene Welle).
Abbildung 2
Im Bereich der Kugelwelle ist die Schallschnelle
in Abhängigkeit von der Frequenz und der Entfernung zur Schallquelle
gegenüber dem Schalldruck phasenverschoben.
Schalldruck und Schallschnelle sind im ganzen Schallfeld
der Frequenz proportional und der Entfernung zur Schallquelle
umgekehrt proportional.
2 Komponenten wirken auf Schalldruck und -schnelle:
1.) Die Frequenz:
Abbildung 3
2.) Die Entfernung:
Der Nahbesprechungseffekt läßt sich durch
Abbildung 4 anschaulich erklären. Das Laufzeitglied hat eine
Strecke von ca. 5 cm. Bei großer Entfernung ist der Unterschied
gering. Bei kleiner Entfernung ist er groß. Der Druckunterschied
wirkt zusätzlich zu der Kurve. Der Nahbesprechungseffekt
setzt ein, wenn der Abstand zum Mikrofon 1/3 der Wellenlänge
entspricht.
Beispiel:
Die tieffrequenten Schallanteile eines Sprechers
reichen bis zu 170 Hz. Wie nah kann der Druckgradientenempfänger
bei dem Sprecher positioniert werden, um in diesem Frequenzbereich
einen Anstieg um 3 dB zu verzeichnen ?
Lösung:
c = 340 m/s
Antwort: 0,6 m
Beim weißen Rauschen sind alle Frequenzen mit
gleicher Amplitude enthalten. Beim rosa Rauschen sind die Pegel
dem Gehörempfinden angepaßt.
Abbildung 5 weißes
Rauschen
Beim weißen Rauschen ist die Teiltondichte
pro Herz Bandbreite und deren Amplitude im gesamten Frequenzspektrum
konstant.
Abbildung 6 rosa Rauschen
Beim rosa Rauschen verringert sich die Amplitude
pro Oktave um 3 dB. Die Teiltondichte ist konstant, die Amplitude
der Teiltöne nimmt bei Frequenzverdopplung um den Faktor
0,7 ab.
Es gibt 5 Möglichkeiten, wie der Schall sich verhält, wenn er auf ein Hindernis trifft.
- Reflektion
- Bündelung
- Streuung
- Absorption
- Brechung (der Schall geht in ein anderes Medium über)
- Beugung
Die Schallreflektion ist vergleichbar mit der Lichtreflektion in der Optik, wenn die Abmessung des Reflektors mindestens so groß wie die 5-fache Wellenlänge sind.
Wird alles reflektiert, entsteht auf der Rückseite
des Reflektors ein Schallschatten.
Der Winkel ist sehr wichtig. Trifft der Schall schräg
auf den Reflektor auf, so wird er nicht so stark reflektiert als
wenn er senkrecht auftrifft.
Die Entfernung ist wichtig. Je dichter der Reflektor an der Schallquelle ist, desto mehr Reflektion entsteht.
Auch die Entfernung von Reflektor und Zuhörer
ist entscheidend.
Aufgabe:
Um das Abstrahlverhalten eines Gitarristen zu verbessern,
stellt man ihn vor eine reflektierende Wand mit den Maßen
1,5 * 1,5 Meter. Auf welcher Frequenz ist die Wand als Reflektor
voll wirksam ?
Lösung:
= 0,3 m
f 1 kHz.
Es gilt: = 2d, wobei d der Abstand zwischen den 2 Wänden ist.
Je höher die Frequenz , desto weniger hörbar ist der Effekt der stehenden Wellen, weil hohe Frequenzen leichter von Gegenständen beeinflußt werden, und wegen der steigenden Luftabsorption.
Stehende Wellen bezeichnet man auch als Eigenresonanz.
Bei kurzen Impulsen spricht man vom Flatterecho.
Schallbrechung meint: Der Schall tritt in ein anderes
Medium ein.
Beispiel:
Ein Open-Air Konzert findet einmal vormittags und einmal abends statt. Am Vormittag ist der Boden kühl, die hohen Luftschichten sind warm. Der Schall trifft auf die warmen Luftbereiche und wird umgebrochen. Somit bekommt der Schall eine Überreichweite durch die Warmfront.
Am Abend ist der Boden noch warm, die hohen Luftschichten
sind aber schon abgekühlt. Der Schall wird in den kühlen
Luftschichten weggebrochen und ist schlechter zu hören.
Die Absorption ist immer frequenzabhängig.
Abbildung 7Der
Körperschall versetzt die Wand in Schwingungen. Daraus entsteht
Reibung, und daraus wiederum Wärme.
Immer wenn Reibung stattfindet, findet auch Absorption
statt. Je kleiner die Schalldämmung, desto größer
die Transmission.
Der Absorptionsgrad gibt an, wie stark die Schallwelle
absorbiert wird [0...1]
0 bedeutet: keine Absorption, totale Reflektion.
1 bedeutet: vollständige Absorption.
Es gibt 2 Arten von Absorbern:
Poröse Materialien. Die Luftbewegung wird durch Reibung gebremst -> Wärme.
Dieses Verfahren eignet sich für hohe Frequenzen.
Resonatoren. Man unterscheidet zwischen:
Helmholtzresonator (Lochabsorber). Schwingendes Luftvolumen.
Die Luftbewegung wird durch Resonanz verstärkt. Dadurch entsteht
Reibung, und dadurch wiederum Wärme. Der Helmholtzresonator
hat ein schmales Frequenzband.
Schwingende Platten.
Da die Absorptionswirkung in einem Material mit der
Schallschnelle ansteigt, ist der Wandabstand des Materials von
großer Bedeutung. Es sollte sich im Schnellemaximum von
vor der Wand befinden oder eine entsprechende
Dicke haben (s. Blatt 8).
Beispiel:
Mit einem schweren dickfaltigen Vorhang möchte ich versuchen, eine tiefe Raumresonanz von 250 Hz zu bedämpfen. Wie muß ich den Wandabstand wählen ?
Antwort: d = 34 cm
Es gibt Absorber für die Höhen, für die Mitten und für die Tiefen.
| Höhenabsorber | poröse Stoffe
Vorhang |
| Mittenabsorber | poröse Stoffe mit Löchern (gelochte / geschlitzte Platten vor einem Hohlraum Akustikplatten |
| Tiefenabsorber (Baßfalle) | Resonatoren schwingende Platten Durch die Luftpolsterung ergibt sich eine Federwirkung. Innere Reibung in den Platten und Luftreibung im Füllmaterial entzieht Schallenergie. Mit zunehmendem Gewicht der Platte und dem Wandabstand nimm die Resonanzfrequenz ab. |
R bezeichnet das Schalldämmaß.
Schalldämmung dient zur akustischen Trennung
von Räumen. Eine Schalldämmung von 60 dB ist schon relativ
gut und lä0t sich mit normalen Wänden nicht erreichen.
Man braucht dazu mehrschalige Wände.
Der Hall besteht aus Anhall, Mitthall und Nachhall.
Abbildung 8
Die Reflektionen werden mit der Zeit dichter, da
die Reflektionen wiederum reflektiert werden.
Hall als Oberbegriff ist der gesamte diffuse Schall in einem Raum.
Ist der Raum groß, setzt der Mitthall später ein.
Harter Klangeinsatz, wenn mehr als die Hälfte
der diffusen Schallenergie früher als 50 ms beim Hörer
eintrifft (gut für Sprache). Weicher Klangeinsatz, wenn der
Hauptteil der Energie später als 50 ms einsetzt (gut für
Musik).
Dissipation der Luft = Luftabsorption ab ca. 5 kHz,
führt zu einer max. Nachhallzeit von 3,1 s bei 5 kHz, 1,2
s bei 10 kHz.
Nachhall ist die Abnahme des Schallfeldes in einem Raum nach abschalten der Schallquelle.
Die Nachhallzeit, angegeben in T, ist derjenige
Zeitabschnitt gemessen in Sekunden innerhalb dessen nach abschalten
der Schallquelle der Schalldruck auf 1/1000 bzw. Der Schalldruckpegel
um 60 dB abgesunken ist.
Der Anfangsnachhall ist am meisten zu hören.
Anfangsnachhall deswegen, weil der Nachhall nicht zu ende gehört
werden kann. Dies kommt daher, weil die folgenden Signale den
Rest des Nachhalls verdecken. Eine Ausnahme ist das Ende eines
Musikstückes und ein impulsartiges Geräusch.
Abbildung 9 Der Anfangsnachhall
Definition Anfangsnachhall: Abklingen des Diffusfeldes um 10 - 20 dB. Die Steilheit der Kurve ist wichtiger als die Dauer, da das Ende der Kurve nicht hörbar ist durch Überlagerung neuer Impulse.
Der Nachhall mischt sich mit dem folgenden Musiksignal
und färbt ihn.
Offenliegende Steinwände färben dumpf,
eine längere Nachhallzeit im Mittenbereich ergibt eine angenehme,
warme Klangfärbung (Holzverkleidung).
In der Entfernung des Hallradius um die Quelle sind
Diffus- und Direktfeld gleich groß. In seltensten Fällen
ist der Hallradius kreisförmig. Der Hallradius nimmt mit
Raumvolumen zu und verringert sich mit zunehmender Nachhallzeit.
Wichtige Aspekte des Halls:
ISD = Initial Signal
Delay = erste Reflektion
Klangeinsatz hart oder weich
Frequenzgang des Nachhalls (Anfangsnachhall, Hallzeit)
- Berechnung stehender Wellen
- Absorbertypen, Resonatoren
- Formeln Wellenlänge, Laufzeit
- Schallgeschwindigkeit (Luft = 343 m/s). Wissen, daß sie in Metall größer ist und temperaturabhängig ist.
- Begriff: Gobos sind Stellwände
- Verhalten von Schalldruck und Schallschnelle in der Ebenen- und Kugelwelle
- Hallparameter, Nachhallzeit
- Zusammenhang zwischen Nachhall und Raum
- Was passiert mit der Reflektionsdichte ?
- Rosa- und weißes Rauschen
- Luftabsorption
Stehende Wellen gibt es nicht nur zwischen parallel
zwischen gegenüberliegenden Wänden, sondern auch schräg.
Diese nennt man dann Tangentialwellen.
Plattenabsorber bezeichnet man auch als Membranabsorber.
Accoustic Tile ist eine
Art von Höhenabsorber, eine Platte mit kleinen Löchern.
An einen Regieraum werden folgende Anforderungen gestellt:
- keine stehenden Wellen und störende Reflektionen
LEDE bedeutet "live end, dead end" und ist eine Einrichtungsart für Regieräume.
Es arbeitet nach der Idee, daß die ersten Reflektionen
einer Aufnahme den Ingenieur immer vor der ersten Reflektion des
Regieraumes, d.h. vor den Reflektionen des live end erreichen.
Entscheidend hierbei ist der Haaseffekt, der besagt, daß
der erste Schall den Richtungseindruck bestimmt, also die Ortbarkeit
unabhängig davon, aus welcher Richtung der Schall kommt.
Die Reflektionen des live-end innerhalb 20-50 ms
geben dem Ingenieur den Eindruck eines größeren Raumes
und erhöhen die Lautheit ohne die Ortbarkeit zu beeinflussen.
Im live-end soll ein homogenes diffuses Feld erreicht werden.
Wenn der Raum zu groß oder zu hoch ist, benutzt
man eine Kompressionsdecke. Dadurch werden die ersten Reflektionen
auch durch die Decke zum Hörer geleitet.
Expansionsdecke, Symmetrie in Bezug auf die Stereo-Basismitte, keine paralellen Wände, die ersten Reflektionen des Regieraumes sollen zeitlich als auch vom Energiepotential die der Aufnahme nicht überdecken.
Man beachte Reflektionen von dem Mischpult und den
Effekt-Racks.
Nearfield monitoring hat den Vorteil, weniger Raumklang zu haben
Studio monitoring ergibt den Schall aus Studiomonitoren und Abhörraumakustik
Far field monitoring wird
selten benutzt. Die Lautsprecher stehen weit entfernt, um Live-Situationen
zu hören.
Wenn ein Tonstudio nahe von einem Radiosender ist,
kann es sein, daß die Radiowellen die Aufnahmen stören.
Für solche Situationen benutzt man ein frequency shield.
Dieses besteht aus einem Metallgitter, das in die Studiowände
eingelassen ist und schirmt die störenden Radiowellen ab.
Der Begriff ambient noise bezeichnet den Ruhegeräuschpegel, also die Umgebungslautstärke.
Der Sollwert im Studio liegt bei 25 dBA.
Oft benutzt man schwimmenden Estrich, z.B. Gummiunterlagen.
Dadurch ergibt sich ein akustisch entkoppelter Boden.
Abbildung 10 Fußboden
im Studio
Der Boden soll die Wände nicht berühren,
da sonst der Körperschall übertragen wird.
Die Studiowände sollen den Schall absorbieren und dämmen.
Man benutzt mehrschalige Wände und "Sandwich"-Wände
Abbildung 11 Mehrschalige
Wand
Als Wandmaterial benutzt man Ytong oder ein Holzgestell. Darauf kommt Sperrholz oder Preßspan, Rigips und Akustikplatten.
Zwischen 2 Wänden läßt man einen Luftzwischenraum oder Mineralwolle.
Wichtig ist, daß das harte Material in der
Wand ist, das weiche Material nach außen Richtung Raum ist.
Es eignen sich Doppeltüren am besten, da sie
wie eine Schallschleuse wirken. Die Bezeichnung dafür ist
Soundlock.
Bei einer Klimaanlage wird Frischluft eingeführt
und schlechte Luft abgesaugt. Ansaug und Abluft sollten sich auf
der ruhigen Gebäudeseite befinden. Der Luftschacht sollte
möglichst verwinkelt sein und Innenlamellen haben, um den
Luftschall zu hemmen.
