Bei freier Schallausbreitung erreicht nur der Direktschall der Quelle den Zuhörer. Ein solches Übertragungssystem führt in erster Näherung lediglich zu einer Dämpfung und einer Verzögerung aufgrund der begrenzten Schallgeschwindigkeit.

Solche idealen Ausbreitungsbedingungen führen zu keinerlei Klangveränderung. Theoretisch lässt sich dies durch einen unendlich großen Raum (Freifeld) oder durch einen Raum mit idealer Absorption erreichen.

In der Realität kommt es aber grundsätzlich zu Überlagerungen des Direktschalls mit Reflexionen von den Wänden. Die Wellenfront ändert an den Wänden Betrag, Phase und Richtung. Am Ort des Empfängers, sei es das menschliche Ohr oder ein Mikrofon, treffen daher Signal mit unterschiedlicher Laufzeit und Amplitude an. Diese Überlagerung hat einen erheblichen Einfluß auf den Frequenzgang.

Diesen Einfluß kann man sich unter stark vereinfachten Übertragungsbedingungen veranschaulichen. Die Schallquelle besteht hier aus 2 idealen Lautsprechern in einem bestimmten Abstand in einem idealen Raum ohne Reflexionen. Wenn sich der Zuhörer exakt auf Achse der beiden Lautsprecher befindet, ist die Laufzeit identisch und es kommt zu keiner Klangverfärbung. Entfernt man sich jedoch von dieser Achse, so kommt es zu Laufzeitunterschieden. Je nach Position und Frequenz kommt es sogar zu einer vollständigen Auslöschung. Die Überlagerung von zwei Wellen führt zu einem sogenannten Kammfiltereffekt mit starken Einbrüchen. Mit einer normalen Stereoanlage kann man diesen Effekt leicht überprüfen. Mit einem Testgenerator oder einer Test CD spielt man einen Sinuston der Frequenz 1kHz ab. Hält man sich ein Ohr zu und bewegt sich im Raum, so sind deutliche Pegelunterschiede wahrnehmbar. Die Positionen mit minimalem Pegel liegen dichter beisammen, je höher die Frequenz ist. Es kommt jedoch zu keiner vollständigen Auslöschung, da immer noch Signalanteile mit dem anderen Ohr aufgenommen werden und Reflexionen von den Wänden sich überlagern. Der Abstand zwischen einem Minimum und einem Maximum beträgt ein viertel der Wellenlänge, d.h. bei 1kHz sind dies 8cm und bei 10kHz nur noch 8mm. Daher führen bereits kleine Änderungen der Position zu erheblichen Änderungen im Frequenzgang. Diese Änderungen im Frequenzgang sind mit geeigneter Meßtechnik leicht nachweisbar.

In einem Raum trifft zunächst der Direktschall beim Zuhörer ein, danach folgen erste Reflexionen von den Wänden, die wiederum reflektiert und gedämpft werden. Die Anzahl der Reflektionen nimmt exponentiell zu, aber gleichzeitig nimmt die Amplitude ab. Man spricht hier von einem diffusen Nachhall.

Wenn man dies weiterfolgt, so müsste sich der Klangeindruck der menschlichen Stimme drastisch verändern, wenn der Zuhörer oder Sprecher den Kopf nur leicht bewegt. Aus unserer Erfahrung wissen wir, das dies nur in Spezialfällen passiert. Man kann diesen Effekt jedoch beobachten, wenn sich Sprecher und Zuhörer nur über Lautsprecher und Mikrofon unterhalten, dies ist z.B. bei Freisprecheinrichtungen für Mobiltelefone der Fall. Geringe Veränderungen an der Mikrofonposition haben hier einen großen Einfluß. In diesem Fall wird unser binaurales Hören wirkungslos. Diese Beispiele zeigen die enorme Leistungsfähigkeit des menschlichen Hörsystems. Durch das binaurale Hören in Verbindungen mit einer hoch komplexen Signalverarbeitung im Gehirn werden Klangveränderungen aufgrund der physikalischen Ausbreitung in einem weiten Bereich entfernt. Wir erkennen eine Stimme unabhängig vom Raum. Diese enorme Sinnesleistung ist noch nicht im Detail verstanden, sie wird aber in modernen Freisprecheinrichtungen in Teilbereichen imitiert. Die Grenzen unserer Sinnesleistung sind in Schwimmhallen oder Kirchen leicht erkennbar. Hier ist sogar die Sprachverständlichkeit stark eingeschränkt.

Für den Höreindruck sind die physikalischen Ausbreitungsbedingungen und psycho-akustische Effekte untrennbar verbunden.

Nach diesen Grundlagen stellt sich die Frage, wie ein idealer Raum sich akustisch verhalten sollte. Hierbei muß man zunächst nach verschiedenen Anwendungen Unterscheiden: In einem Konferenzraum legt man Wert auf maximale Sprachverständlichkeit. Gleichzeitig soll aber die Dämpfung nach außen möglichst groß sein. In einem Restaurant wird man je nach persönlicher Vorliebe eine gedämpfte Atmosphäre bevorzugen. Besonders hohe Anforderungen werden an Konzertsäle gestellt. Der Klangeindruck der Musik soll möglichst unverfälscht und klar sein, Nebengeräusche sollen hingegen unterdrückt werden.

Man könnte zunächst auf die Idee kommen der ideale Raum sei ein schalltoter Raum, wie er für Meßzwecke verwendet wird. Zum einen geht hier aber ein Großteil der Schallenergie verloren, da nur der Direktschall genutzt wird. Zum anderen ist unsere Sinneswahrnehmung für einen solchen Raum nicht ausgelegt, da dies in der Natur nicht vorkommt. Eine solche Akustik erscheint sofort unnatürlich, da Reflexionen ständiger Bestandteil unserer Wahrnehmung ist. Positioniert man den Zuhörer jedoch exakt an eine Position und paßt die Signale der individuellen Übertragungsfunktion

Anforderungen von Räumen

Räume haben - je nach Einsatzzweck - unterschiedliche Anforderungen an Ihre Akustik. Ein Schulungsraum sollte auf maximale Sprachverständlichkeit ausgelegt sein. Daher wird hier die Nachhallzeit möglichst gering sein und Reflektionen sollten den Sprecher unterstützten. In einer Konzerthalle ist eine Verwischung durch den Nachhall sogar erwünscht, da so erst der musikalische Gesamteindruck entsteht.

Zudem ist die Schallausbreitung sehr komplex. Daher gibt es nur wenig allgemeingültige Konzepte, die für jeden Raum mit seinen unterschiedlichen Anforderungen gelten.

Von hoher Bedeutung ist jedoch für alle Räume, das der Lärmpegel sei es von äußeren oder inneren Quellen möglichst gering gehalten wird. Für das Verstehen von Sprache muß der Schallpegel der Sprache deutlich über dem Ruhepegel liegen. Je niedriger der Ruhepegel dabei ist, desto besser können auch leise Sprecher verstanden werden.

Neben den physikalischen Ausbreitungsbedingungen und psychoakustischen Effekten spielen aber auch gestalterische Elemente eine wichtige Rolle.

Büroräume
Schulungsräume
Konzerthallen/Opernhäuser
Bahnhöfe/Flughallen
Veranstaltungsstätten
Restaurants
Aufnahmestudios
Wohnzimmer
Produktionsstätten
Meßräume

Mittlerweile stehen eine Vielzahl von Werkzeugen zur Verfügung mit dem die Raumakustik optimiert werden kann.

Dies sind:

Absorber
Reflektoren
Diffusoren
Elektronische Klangregelung
Aufstellung der Lautsprecher

Büroräume

Büroräume stehen bei vielen Menschen im Mittelpunkt des täglichen Lebens. In erster Linie werden diese Räume rein zweckmäßig ausgelegt. Vielfach schaffen gestalterische Elemente optische Anreize, aber akustische Aspekte bleiben vielfach unberücksichtigt. Dabei hat der stammesgeschichtliche ältere Gehörsinn sehr weitreichende Folgen für unser Wohlbefinden. Augen lassen sich schließen, die Ohren sind ständig wachsam und reagieren Empfindlich auf kleinste Veränderungen. Daher kann eine angepasste Akustik die Arbeitsqualität deutlich verbessern.

In Büroräumen sind die Mitarbeiter ständigen Lärmquellen ausgesetzt.

Computer und andere Bürogeräte

Lüftungsanlagen

Gespräche von Kollegen

Zwar sind die meßbaren Schallpegel deutlich geringer als in einem Maschinenpark und verursachen keinerlei physiologische Schäden. Die Konzentrationsfähigkeit wird aber erheblich herabgesetzt. Vielfach kann es auch zu Streßsymptomen kommen

Schulungsräume

In Schulungsräumen steht die Sprachverständlichkeit zwischen Vortragendem und Publikum im Vordergrund. Der Sprecher sollte an allen Plätzen gut verstanden werden. Lautsprecheranlagen können zwar problemlos den Schallpegel erhöhen. Wie man jedoch aus dem Beispiel von Kirchen kennt reicht dies jedoch nicht aus um eine gute Sprachverständlichkeit zu erzielen.

Es ist nicht unbedingt sinnvoll durch maximale Absorption die Nachhallzeit zu verkürzen, da dabei auch ein zu großer Teil des nutzbaren Schalls entfernt wird. Es ist wichtig, dass ein Sprecher ohne große Anstrengung der Stimme verstanden werden kann, da dies sonst innerhalb kurzer Zeit zu Ermüdungserscheinungen beim Sprecher als auch beim Publikum führt. Hier sollten alle Flächen, die den Schall bis zu 50ms zum Publikum reflektieren, möglichst gering absorbieren. Wichtig ist das alle tieffrequenten Raummodi gut bedämpft sind.

Meßräume

In Meßräumen werden durch einen erheblichen Aufwand spezielle Ausbreitungsbedingungen erreicht. Wichtig sind der Absorberraum und der Hallraum.

Absorberraum

In einem Absorberraum auch „schalltoter Raum“ oder im englischen anechoic chamber wird versucht die Reflektionen durch Absorber zu minimieren. Im Idealfall erreicht man damit Schallausbreitungsbedingungen im Freifeld ohne Reflektionen. Durch die üblichen Schaumstoffe kann man dies im mittleren und hohen Frequenzbereich relativ leicht erreichen. Problematisch sind allerdings tiefe Frequenzen, da diese nur schlecht absorbiert werden. Man verwendet hier Pyramidenförmige Absorber aus Schaumstoff. Daher wird ein solcher Raum durch seine untere Grenzfrequenz charakterisiert. In einem solchen Raum bildet sich kein Nachhall, die Nachhallzeit ist im Idealfall Null. Es entstehen auch keine stehenden Wellen.

In einem solchen Raum können zum Beispiel Schallquellen wie Lautsprecher oder Musikinstrumente unter idealisierten Bedingungen vermessen werden. Insbesondere können Richtdiagramme ermittelt werden. Ein Absorberraum eignet sich auch zur Untersuchung der Schallabstrahlung komplexer akustischer Systeme insbesondere der Schallquellenlokalisierung .

Die Akustik in einem solchen wirkt für einen Menschen sehr unnatürlich, da wir unbewusst in einem Raum Hall und Reflektionen erwarten. Die Sprache wird sehr stark gedämpft. Eine Unterhaltung ist auch nur dann möglich, wenn 2 Personen sich direkt ansprechen, da nur der Direktschall vorhanden ist. Auf der anderen Seite funktioniert das Richtungshören besonders gut, da nur der Direktschall vorhanden ist.

Hallraum

Ein Hallraum ist das genaue Gegenteil zu einem Absorberraum. Hier sind die Wände möglichst glatt und reflektieren einen hohen Anteil der Schallwellen. Ziel eines Hallraumes ist es ein ideal diffuses Schallfeld zu erreichen. Dies bedeutet, dass der Schallpegel über gleich groß ist und aus der Schall aus allen Richtungen gleichmäßig kommt. Im Idealfall wird keinerlei Schallenergie absorbiert und die Nachhallzeit ist unendlich hoch. In praktischen Hallräumen erreicht man etwa 8s.

Hallräume werden vielfach verwendet um die Wirkung von Absorbern im diffusen Schallfeld zu untersuchen. Die Absorber verringern die Nachhallzeit, so daß das Absorptionsvermögen berechnet werden kann.

Eine weitere wichtige Anwendung liegt in der Messungen der abgestrahlten Schallleistung von Geräten und Maschinen.

Veranstaltungsstätten

Bei Veranstaltungsstätten (Konzerte etc.) wird versucht für die Zuhörer ein ausgewogenen Klang bei angemessener Lautstärke zu erreichen. Früher waren hierbei starke Lautsprecheranlagen im Bühnenbereich üblich. Dies führt dazu, dass sich im Bühnenbereich teilweise extremen Lautstärken ergeben und im hinteren Bereich ein eher diffuser Klangeindruck entsteht, da hier der Direktschall geringer ist. Nicht nur durch die gestiegenen gesetzlichen Vorschriften zur Schallpegelbegrezung werden vielfach verteilte Lautsprechersysteme mit hoher Richtwirkung verwendet. Dadurch ergibt sich über das Publikum verteilt ein gleichmäßigerer Schallpegel. Die extremen Spitzen werden vermieden. Der direkte Schallanteil ist auch höher, so daß sich im Mittel ein besserer Klangeindruck einstellt. Die unterschiedlichen Laufzeiten durch die verteilt aufgestellten Lautsprecher werden elektronisch ausgeglichen. Durch die Arrays von Lautsprechern kann durch digitale Signalverarbeitung die Schallausbreitung gesteuert werden (Beamforming). Solche Lösungen erfordern einen hohen technischen Aufwand sowohl beim Aufstellen als auch beim Einmessen.

In großen Hallen oder Kirchen mit extremen akustischen Bedingungen kann nur durch solche Systeme eine akzeptable Sprachverständlichkeit erreicht werden. Es muss sichergestellt werden, daß sich jeder Zuhörer im Hallradius eines Lautsprechers befindet.

Aufnahmestudios

Bei der Aufnahme von Stimmen oder Instrumenten in einem Studio, versucht man den Raum so neutral wie möglich zu gestalten. Raumeffekte können später elektronisch hinzugefügt werden, um in der endgültigen Aufnahme den gewünschten Klang zu erreichen. Es ist aber nahezu unmöglich den Hall aus einer Aufnahme zu entfernen. Daher wird in Studios ein erheblicher Aufwand betrieben, um den Hall des Aufnahmeraums zu verringern. Mit Hilfe von Absorbern wird die Nachhallzeit gleichmäßig so gering wie möglich gehalten. Ganz so extrem wie in einer Absorberkammer wird der Aufwand jedoch nicht betrieben, da eine solche unnatürliche Schallausbreitung das Zusammenspiel der Musiker stören kann.

Restaurants

Viele Restaurants werden rein unter ästhetischen Gesichtspunkten gestaltet. Die „Akustik“ wird allenfalls durch Hintergrundmusik „verbessert“. Durch die Gespräche der Gäste oder Geräusche durch Geschirr etc. in Verbindung mit einer ungünstigen Raumakustik, kann sich ein erheblicher Schallpegel aufbauen. Unbewußt erhöht jeder Sprecher dadurch seine eigene Lautstärke (Lombard-Effekt). Insgesamt ist eine Verständigung teilweise nur unter großer Anstrengung möglich. Abgesehen von Kneipen oder Diskotheken, erzeugt eine solche Akustik bei den Gästen eher unbehauen und keine entspannte Atmosphäre. In vielen solchen Restaurant beschweren sich die Gäste über eine „Bahnhofsakustik“. Leider steht besteht oft ein großes Missverhältnis zwischen dem Aufwand, der in die optische Gestaltung investiert wird und dem Aufwand, der in eine angenehme Akustik investiert wird.

Vielfach kann durch moderne Techniken, die Akustik deutlich verbessert werden, ohne das Design zu stören.

Konzerthallen/Opernhäuser

In einer Konzerthalle entwickelt ein sinfonisches Orchester erst seinen vollen Klang. Hier steht weniger die Sprachverständlichkeit mit geringem Nachhall im Vordergrund. Mit Nachhallzeiten von 1-2s stellt sich ein diffuser Klang ein. Durch Reflexionen von den Seiten bildet sich auch der gewünschte Raumeindruck. Echos sollten in jedem Fall vermieden werden. Die Akustik des Raumes dient jedoch nicht nur dazu dem Zuhörer auf allen Plätzen ein gutes Klangerlebnis zu bieten. Vielmehr sollten auch Störgeräusche wir Nebengeräusche des Musikspiels (Anblaseffekte und Klappengeräusche) unterdrückt werden. Weiterhin lebt die Musik von dem Zusammenspiel der Musiker, die sich synchronisieren müssen. Vielfach gibt es hier Problem in Übungsräumen, wo eine ungünstige Akustik ein Zusammenspiel nahezu unmöglich macht. Seit einiger Zeit steht auch der maximale Schallpegel für die Musiker selbst im Vordergrund. Sicher würde kaum jemand vom Lärmschutz sprechen, aber Musikinstrument können problemlos enorme Schallpegel erreichen, die zu Gehörschäden führen können.

Wohnzimmer

Diese Räume stehen im Mittelpunkt des privaten Lebens und werden vielfältig genutzt. Besonders wichtig ist hierbei zunächst die Abschirmung gegenüber Außenlärm oder Trittschall zur Nachbarwohnung. Aber auch die akustischen Ausbreitungsbedingungen im Raum selbst geraten immer mehr in den Vordergrund. Bis Ende der 90er Jahre galt eine hochwertige Stereoanlage als Statussymbol. Hier wurde viel Geld in technische Maßnahmen mit umstrittenem Nutzen investiert (Armdicke Lautsprecherkabel, Spezielle Stecker etc.). Die Raumakustik wurde im besten Fall durch Aufstellen der Boxen auf Spikes berücksichtigt. Die drastische Auswirkung der Raumakustik fand kaum Beachtung. Spezielle Kabel etc. waren zwar teuer aber doch schnell installiert und die Anlage klang gleich viel „ausgeglichener“. Die Schallausbreitung hingegen war kaum vermittelbar und auch die Meßtechnik war nahezu unbezahlbar.

In den letzten Jahren stehen Heimkinoanlagen im Vordergrund. Die Subwoofer wurden zwar immer gewaltiger, aber in einem spartanisch eingerichteten „Design-Wohnzimmer „ stellte sich kein Kinoklang ein. Hier werden die Auswirkungen der Raumakustik deutlich hörbar. In diesem Segment ist ein hohes Interesse vorhanden in Verbindung mit einer elektronischen Klangregelung und akustischen Elemente einen „Kinoklang“ zu erzielen. In keinem Fall sollte aber das Design gestört werden, daher sind die Anforderungen an Hersteller auch sehr hoch.

Absorber

Ein Absorber wandelt Schallenergie in Wärme um und reduziert damit den Schallpegel. Bringt man Absorber an reflektierende Flächen in einen Raum, so werden die Reflektionen verringert und die Nachhallzeit wird verkürzt.

Das Absorptionsvermögen eines Absorbers wird mit α_w bezeichnet. Ein Wert von 0 bedeutet, dass kein Schall absorbiert wird. Bei einem Wert von 1 wird der gesamte auf der Absorberfläche eintreffende Schall absorbiert.

Das Absorptionsvermögen wird für senkrechten Schalleinfall mit einem Kundt’schen Rohr gemessen. Für dir Raumakustik ist jedoch die Absorption im diffusen Schallfeld wichtiger. Diese wird nach DIN 20354 im Hallraum gemessen.

Man unterscheidet zwischen folgenden Typen von Absorbern

Poröse Absorber
Plattenabsorber
Helmholtz-Resonatoren
Mikroperforierte Absorber
Aktive Absorber
Vorhandene Einrichtung und Publikum

Poröse Absorber

Diese Absorber bestehen aus faserartigen Materialen, wie Textilien oder Mineralwolle. Weit verbreitet sind auch Schaumstoffe. Die akustisch wirksame Mineralwolle wird durch möglichst schalldurchlässige Blenden geschützt. Dadurch wird auch der optische Eindruck verbessert.

Diese Absorber bremsen die Schallausbreitung durch ihre Struktur. Sie sind insbesondere im mittleren und hohen Frequenzbereich wirksam und wirken auch breitbandig. Tiefe Frequenzen können mit diesen Materialien kaum bedämpft werden. Einzig Kantensabsorber, die in den Ecken eines Raumes befestigt werden dämpfen tieffrequente Raummodi recht wirksam.

Plattenabsorber

Ein solcher Absorber besteht aus einer Platte, die vor der Wand befestigt wird. Durch den Schall wird die Platte zum Schwingen angeregt. Gleichzeitig wird die Schwingung durch z.B. poröse Materialien bedämpft und die Schallenergie verringert. Diese Plattenabsorber können als Feder-Masse-Systeme interpretiert werden. Sie besitzen daher eine oder mehrere ausgeprägt Resonanzfrequenzen. Durch die Dämpfung wird die Güte also die Breitbandigkeit in gewissen Grenzen verändert.

Plattenabsorber sind insbesondere bei tiefen Frequenzen wirksam. Sie sind eher schmalbandig und können auf die Eigenfrequenzen des Raumes abgestimmt werden. Durch geschickte Koppelung mehrerer Resonanzfrequenzen ist auch eine gewisse Breitbandigkeit erreichbar.

Helmholtz-Resonatoren

Diese Resonatoren bestehen aus einem abgeschlossenem Luftvolumen, das nur über eine Öffnung an den Raum angekoppelt ist.

Durch den Schall wird die Luft in der Kammer zum Schwingen angeregt. Durch die Öffnung kommt es zu Strömungsverlusten und damit zur gewünschten Dämpfung. Diese Resonatoren können auch durch Feder-Masse-Systeme interpretiert werden. Das Prinzip ist vergleichbar mit dem Bassreflex-System im Lautsprecherbau.

Helmholtz-Resonatoren sind in weiten Frequenzbereichen einsetzbar, vorzugsweise im tiefen Frequenzbereich. Sie sind jedoch nur in einem schmalen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz wirksam und werden daher speziell abgestimmt.

Mikroperforierte Absorber (MPA)

Diese Absorber bestehen aus eine Platte mit vielen sehr kleinen Löchern, die vor einer schallharten Wand befestigt ist. Ein solches System funktioniert wie ein Helmholtz-Resonator. Es kommt zu Resonanzen und durch die Strömungsverlusten in den Löchern zur Absorption. Die Löcher haben eine Durchmesser der geringer ist als 1mm. Die Besonderheit ist, das keine Mineralfasern oder ähnliche Materialien zur Dämpfung benötigt werden. Die Platte kann daher auch durchsichtig sein. Es bestehen daher sehr vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten. Durch die Größe der Löcher und deren Anzahl pro m²kann der wirksame Frequenzbereich verändert werden.

Aktive Absorber

Diese Systeme bestehen aus einem Sensor (Mikrofon), einer Signalverarbeitung, einem Verstärker und einem Lautsprecher zur Schallabstrahlung. Das Schallfeld wird durch ein Mikrofon oder sogar ein Mikrofon-Array vermessen und der Lautsprecher so angesteuert, dass sich das äußere Schallfeld und das erzeugte Schallfeld des Lautsprechers möglichst auslöschen. Diese Systeme erfordern eine hohen Aufwand sind aber auf der anderen Seite insbesondere bei tiefen und sehr tiefen Frequenzen passiven Absorbern weit überlegen.

Vorhandene Einrichtung und Publikum

Teppiche und Gardinen sowie Tapeten ahben bereits einen deutliche Absorptionswirkung insbesondere bei hohen Frequenzen. Sie erzeugen eine gedämpfte Atmosphäre. Dies gleiche gilt für Publikum durch die Bekleidung. Daher ändert sich die Akustik in einem unbesetzten Raum erheblich, da hier ein große Absorptionsfläche fehlt.

Elektronische Klangregelung

Bereits mit rein analoger Schaltungstechnik ist eine Klangveränderung möglich. Weit verbreitet sind Filter zur Anpassung der Tiefen, Mitten und Höhen. Eine zeitlang in Mode war die lautstärkeabhängige Anhebung der Tiefen und Höhen (Loudness). Weitere Eingriffsmöglichkeiten bieten schmalbandige Filterbänke. In der Regel wird hier eine Terzauflösung verwendet, so daß man 32 Regler für das Audioband hat (Graphische Equalizer). Zunächst war keine adäquate Meßtechnik verfügbar, so daß die Regler nach Gefühl, Geschmack aber auch Erfahrung des Tontechnikers vorzugsweise bei Veranstaltungstechnik eingesetzt wurden. Schließlich wurden auch Spektralanalysatoren mit Terzauflösung erschwinglich (RTA), die eine optische Kontrolle des Spektrums ermöglichten. Weit verbreitet ist auch die Technik die Messwerte eines RTAs umzukehren und bei einem graphischen Equalizers einzustellen. Dadurch erscheinen jetzt die Messwerte zwar flach aber die Akustik hinkt diesen Erwartungen hinterher.

Durch moderne digitale Signalverarbeitung ist ein nahezu beliebiger Eingriff in den Klang möglich. Im Idealfall würde man mit einem Mikrofon das Signal messen und dann automatisch den Klang optimieren lassen. Teilweise werden solche Produkte mittlerweile angeboten aber auch hier macht die Komplexität der Schallausbreitung einen Strich durch die Rechnung. Es ist im Prinzip möglich die Schallausbreitung an exakt der Position des Mikrofons den Frequenzgang ideal flach zu bekommen. Damit ist aber nur wenig gewonnen, den bereits geringste Veränderungen wie z.B. eine andere Position verändern den Frequenzgang drastisch. Es stellt sich dann ein extrem unnatürliches Schallfeld ein.

Sehr effektiv sind hingegen parametrische Equalizer, bei denen die Mittenfrequenz und Bandbreite frei einstellbar sind. Mit Ihnen können störende Raummodi, die zu Dröhnen führen, effektiv unterdrückt werden. Manche automatische System, ermitteln aus einer Messung selbstständig die Raummodi und optimieren die Filter.

Vorsicht ist allerdings bei einer Anhebung von Frequenzbändern geboten. Gerade im Bereich der tieferen Frequenzen stellen sich im Raum sehr unterschiedliche Pegel ein. Hebt man elektronisch den Pegel an, um einen besseren Baß an einer Position zu erzielen, so kann es an einer anderen Position schnell ohrenbetäubend werden.

Bisherige Klangregelung berücksichtigt nicht die räumliche Schallausbreitung (abgesehen von psycho akustischem ‚virtual 3D’), da nur 2-5 Lautsprecher zur Verfügung stehen. Es können zwar einzelne Frequenzen angepasst werden, die Verteilung im Raum aber nicht. Dies wird aber durch den Einsatz von vielen Lautsprechern und der Wellenfeldsynthese möglich. Hier kann ein echtes dreidimensionales Schallfeld erzeugt werden. Diese Technologien sind aber noch Gegenstand aktueller Forschung.

Im Gegensatz zur bisherigen elektronischen Klangregelung können akustisch aktive Elemente wie Absorber nicht nur den Pegel sondern auch das Schallfeld verändern.

Lombard-Effekt

Jeder Sprecher passt seine Lautstärke der Umgebung an. In lauteren Umgebungen erheben wir unbewusst die Stimme. Bei Versammlung oder Partys etc. mit vielen Menschen, die sich angeregt unterhalten, führt dies dazu, das sich nach kurzer Zeit ein erheblicher Lärmpegel einstellt. Jeder Sprecher erhöht den Lärmpegel für andere Sprecher und zwingt ihn selbst wieder lauter so sein, um bei seinem Gesprächspartner verstanden zu werden. In Räumen mit ungünstiger Akustik ist dann kaum ein Gespräch mehr möglich.

Verbesserung der Raumakustik

Vielfach stehen Akustiker vor der Aufgabe einen vorhandenen Raum in seiner Akustik so anzupassen, daß er seinen Aufgaben gerecht wird. Es kommt oft vor, das während der Planung und des Baus akustische Aspekte nur eine untergeordnete Rolle spielen. Danach erweist sich aber die Akustik als völlig untauglich.

In solchen Fällen wird in der Regel wie folgt vorgegangen:

Problemanalyse
Analyse der Zielvorgaben
Messung und Dokumentation des Ist-Zustandes
Analyse der Reflektions- bzw. Absorberflächen
Gestalterische Aspekte
Simulation/Auralisation
Umbaumaßnahmen
Messung und Dokumentation der neuen Akustik

Problemanalyse

Im ersten Schritt sollte analysiert werden, welche Problem in diesen Raum auftreten. Dabei spielt es natürlich eine wichtige Rolle wie dieser Raum genutzt werden soll

Analyse der Zielvorgaben

Direkt verbunden mit der Problemanalyse ist die Erwartungshaltung an die Akustik dieses Raumes. Welche Ziele sollen nach der Umbaumaßnahme erreicht werden? Anhaltspunkte kann hier die DIN18041 liefern

Messung und Dokumentation des Ist-Zustandes

In dem Raum sollten folgende Messungen durchgeführt werden:

Frequenzabhängige Nachhallzeit an mehreren Raumpunkten
Schallpegel über einen längeren Zeitraum integriert
Impulsantwort
Sprachverständlichkeit (STI/STIPA)

Diese Messungen bilden eine wichtige Grundlage für alle Maßnahmen zur Verbesserung der Akustik. Sie dienen auch dazu die Wirksamkeit der Umbaumaßnahmen zu dokumentieren.

Analyse der Reflektions bzw. Absorberflächen

Vielfach sind in den Räumen bereits Absorberflächen vorhanden, dies sind in der Regel Teppiche, Tapeten oder sogar vorhandene Akustikdecken.

Die Akustik in einem Raum wird nicht unbedingt verbessert, indem einfach alle nutzbaren Flächen mit Absorbern belegt werden. Vielfach fehlen sogar in Räumen Reflektionsflächen. Dies ist insbesondere in Vortragsräumen der Fall. Hier sind Absorber im Deckenbereich und hinter dem Sprecher unbedingt zu vermeiden.

Das Echogramm hilft die vorhandenen reflektierenden Flächen zu ermitteln.

Vielfach ist es so, dass die Dämpfung im hohen und mittleren Frequenzbereich bereits gut ist. Dies wird meist durch Teppiche oder das Publikum erreicht. Trotzdem werden hier meist in großem Stil poröse Absorber installiert. Die Akustik verbessert sich dadurch aber nicht. Ganz im Gegenteil kann Sie durch falsch ausgelegt Absorber noch verschlechtert werden. Dies Problem sind oft tieffrequente Raummodi, die in den meisten Fällen kaum bedämpft sind. Die einschlägigen DIN-Normen berücksichtigen tieffrequente Anteil nur unzureichend. Ein Sprecher kann aber problemlos die Raummodi anregen. Gleichzeitig sind aber die wichtigen mittleren und hohen Frequenzen bereits stark bedämpft. Das Resultat ist eine unzureichende Sprachverständlichkeit, obwohl eigentlich genug Absorptionsfläche vorhanden ist.

Es ist daher von enormer Bedeutung , daß die Absorber im richtigen Frequenzbereich –angepaßt an den Raum- arbeiten.

Im allgemeinen wird eine gleichmäßige Bedämpfung im Frequenzbereich angestrebt.

Gestalterische Aspekte

Neben den akustischen Erfordernissen müssen Umbaumaßnahmen auch gestalterische Aspekte berücksichtigen. Heute stehen eine breite Palette an akustisch hoch wirksamen Elementen zur Verfügung, so daß die Akustik fast unsichtbar verbessert werden kann. Dies sind unter anderem akustisch wirksame Möbel, breitbandige Absorber mit geringer Bautiefe, transparente Folien oder auch Absorber, die z.B. als Bild ausgelegt sind.

Simulation/Auralisation

Bei größeren Projekten ist eine Computersimulation der Umbaumaßnahmen sinnvoll. Bei besonders anspruchsvollen Projekten wird auch eine Auralisation verwendet. Hier kann die Akustik an verschiedenen Plätzen simuliert und hörbar gemacht werden.

Bei einfacheren Projekten begnügt man sich mit einer Abschätzung nach Sabine.

Messung und Dokumentation der neuen Akustik

Nach den Umbaumaßnahmen sollte die neue Akustik wiederum vermessen werden. Sie kann mit den Messungen zuvor verglichen werden. Dadurch kann die Wirksamkeit nachgewiesen werden. Ein geschultes Ohr kann dies direkt erkennen, aber es ist sinnvoll für eine objektive und nachvollziehbare Analyse, Messungen vorzulegen.

Akustische Absorber zur Verbesserung der Raumakustik

In porösen Absorbern wird die Schwingung der Luftteilchen durch die poröse oder faserartige Struktur des Materials gebremst. Dabei entsteht Reibungswärme. Zu den porösen Absorbern zählen Textilien, Teppiche, Schaumstoffe, Mineralwolle, spezielle Akustikputze und so genannte haufwerksporige Materialien. Eine Sonderform der porösen Absorber sind die Kantenabsorber. Sie erreichen eine hohe Wirksamkeit bei tiefen Frequenzen, wenn sie in den Raumkanten eingesetzt werden.

In Helmholtz-Resonatoren wird die Luft in der Öffnung des Resonators bei der Resonanzfrequenz in starke Schwingungen versetzt. Wird die schwingende Luft in der Öffnung durch Reibung gebremst, entsteht wie bei den porösen Absorbern Reibungswärme. Die Kunst bei der Konstruktion von Helmholtz-Resonatoren besteht vor allem in der Abstimmung des optimalen Reibungswiderstandes. Zu den Helmholtz-Resonatoren gehören auch die mikroperforierten Absorber. Sie zeichnen sich durch eine Vielzahl sehr kleiner Löcher (Radius kleiner 1 mm) und geringe Perforation (kleiner 4%) aus. Da sie keinerlei zusätzliches poröses Material in den Löchern benötigen, sondern die Reibung der Luft an den Lochwänden ausreichend hoch ist, können sie auch aus transparenten Materialien wie Acrylglas hergestellt werden.

Unter Plattenabsorbern versteht man eine weitere Form von resonanzartig schwingenden Systemen. Hier wird eine Platte mit einer geschlossenen Oberfläche vor einem Luftvolumen so eingespannt, dass auftreffender Luftschall sie zu Schwingungen anregt. An den Eigenfrequenzen dieses schwingenden Systems sind die Amplituden der Bewegung besonders groß. Die Schwingung der Platte wird durch die gegenseitige Reibung der Moleküle des Plattenmaterials gebremst. Die Schallenergie wird hier also zunächst in die Schwingungsenergie der Platte und erst dann in Wärme umgewandelt. Die meisten Plattenabsorber benötigen für eine optimale Wirksamkeit zusätzliche Bedämpfung des dahinter liegenden Luftraumes mit Mineralwolle oder Schaumstoff.

Um die Wirksamkeit von Absorbern anzugeben, hat man den Absorptionsgrad definiert. Er gibt an, welcher Anteil der auffallenden Schallenergie absorbiert wird. Der Absorptionsgrad für senkrechten Schalleinfall, der in Forschung und Entwicklung eine große Rolle spielt, nimmt Werte zwischen 0 und 1 an. Er wird im Impedanzrohr (auch Kundtsches Rohr genannt) gemessen.

Für raumakustische Planungen benötigt man den Absorptionsgrad für statistischen Schalleinfall. Dieser wird in einem Hallraum nach DIN EN 20354 gemessen. Er kann sowohl theoretisch als auch messtechnisch größer als 1 werden. Eine vereinfachte Erklärung für dieses Phänomen bezieht sich auf die Wellennatur des Schalls: Die Schallwellen werden am Rande der Prüffläche noch zusätzlich in den Absorber hineingebeugt, so dass sich die Wirksamkeit der Absorber über ihre eigentliche Fläche hinaus erstreckt.

Die Messungen im Hallraum sind nur bis zu einer unteren Grenzfrequenz von 100 Hz bis 125 Hz gültig. Will man den Absorptionsgrad von Absorbern bestimmen, die noch darunter wirksam sind, so spielt wegen der Wellennatur des Schalls die Position der Absorber im Raum eine entscheidende Rolle. Momentan gibt es noch kein einheitliches Messverfahren für den Absorptionsgrad bei tiefen Frequenzen.

Die Nachhallzeit

Der Musikvereinssaal Wien, eröffnet 1870, ist einer der besten Konzertsäle der Welt. Er hat mit Publikum eine Nachhallzeit von 2.0 s.

Die wichtigste physikalische Größe zur Charakterisierung der akustischen Eigenschaften eines Raumes ist seine Nachhallzeit. Sie ist das Maß für die Halligkeit eines Raumes. Die Nachhallzeit ist die Zeit, die vergeht, bis der Schallpegel im Raum um 60 dB abgefallen ist. Wie groß die Nachhallzeit in einem bestimmten Raum ist, hängt hauptsächlich von den Absorptionseigenschaften der Wände, des Bodens und der Decke, der Einrichtung sowie dem Raumvolumen ab. Die Nachhallzeit ist frequenzabhängig, da Stein, Holz, Teppich oder Textilien den Schall bei den verschiedenen Frequenzen unterschiedlich stark absorbieren.

Welche Nachhallzeit für einen Raum die richtige ist, hängt im Wesentlichen von seinem Volumen und von seiner Nutzung ab. Dies wird auch in der DIN 18041 und der ÖNORM B 8115-3 berücksichtigt. Beide Normen legen für verschiedene Räume jeweils optimale Nachhallzeiten und zugehörige Toleranzbereiche fest.

Für alle nachfolgend beschriebenen Räume ist die Nachhallzeit die entscheidende akustische Größe.

Veranstaltungssäle:
In diesen Sälen kommt es vor allem darauf an, ob der Saal nur für Musik, für Musik und Sprache gleichermaßen oder nur für Sprache genutzt wird. Diese Unterscheidung sollte mit großer Sorgfalt getroffen werden, denn daraus ergibt sich die notwendige Nachhallzeit. Für Musik muss sie länger sein als für Sprache.

Sport-, Schwimmhallen:
Hier ist im Wesentlichen zu unterscheiden, ob die Sport- oder Schwimmhalle für ein- oder mehrzügigen Unterrichtsbetrieb konzipiert wird. Sollen mehrere Klassen gleichzeitig unterrichtet werden, so muss die Nachhallzeit bei gleichem Raumvolumen kürzer ausgelegt werden. Der in der Halle bei normaler Nutzung entstehende Schallpegel wird dadurch niedriger sein und die Schüler können ihren Lehrer ausreichend verstehen, ohne zu sehr von den Nachbarklassen gestört zu werden.

Hörsäle, Vortrags-, Besprechungs-, Sitzungs-, Konferenzräume, Klassenzimmer, Unterrichtsräume:
All diese Räume verlangen ein hohes Maß an Sprachverständlichkeit. Um optimale Nachhallzeiten zu erreichen, darf man in den meisten Fällen nur Teile der Unterdecken aus absorbierendem Material ausführen. In den Normen wird an mehreren Beispielen beschrieben, wo die absorbierenden Teilflächen liegen sollten. Für alle Varianten gilt: Die Decke im mittleren Teil des Raumes muss reflektierend ausgeführt werden. Die meisten Hersteller von Akustikdecken bieten Systeme an, in denen sich schallabsorbierende und schallreflektierende Elemente kombinieren lassen, um obigen Anforderungen gerecht zu werden.

Musikunterrichts-, Übungs-, Proberäume:
Bei der raumakustischen Gestaltung von Musikunterrichts- und Übungsräumen gilt es, die Balance zwischen zwei sich widerstrebenden Forderungen zu finden. Zum einen wird meist gewünscht, ähnliche akustische Bedingungen wie in einem Konzertsaal vorzufinden, also die Räume mit einer langen Nachhallzeit zu versehen. Zum anderen sollten Lehrer und Schüler feinste Nuancen des Klangs ihrer Instrumente wahrnehmen können. Dazu sollte der Raum aber eine möglichst kurze Nachhallzeit haben. Eine gelungene Diskussion dieser Zusammenhänge bietet das Buch von Meyer auf den Seiten 197-199. Er empfiehlt vor allem, auf eine ausreichend kurze Nachhallzeit bei tiefen Frequenzen und genügend Diffusität des Schallfeldes zu achten.

Kammermusiksäle, Konzertsäle, Theater, Operhäuser:
Diese Räume gehören zu den anspruchsvollsten überhaupt. Die Normen können hier bestenfalls Hinweise auf eine anzustrebende Nachhallzeit geben. Bei der Gestaltung von Kammermusiksälen, Konzertsälen, Theatern und Operhäusern muss unter anderem dafür gesorgt werden, dass die raumakustische Qualität an allen Zuschauerplätzen möglichst gleich gut ist. Hierfür sind in der Regel aufwendige Computersimulationen nötig, um eine optimale Neigung von Wand- und Deckenflächen und eine günstige Verteilung von absorbierenden, reflektierenden und schallstreuenden Oberflächen zu finden.

Hifi-Hörräume, Heimkinos:
Für eine ausgewogene, lebhafte und nicht zu trockene Raumakustik im Hifi-Hörraum und Heimkino sollte eine über die Frequenz lineare Nachhallzeit angestrebt werden. Die Empfehlungen entsprechen den Anforderungen nach DIN 18041 und ÖNORM B 8115-3.

Tonstudios:
In einer eigenen Norm für Tonstudios, der DIN 15996, werden sehr hohe Anforderungen an die Nachhallzeit gestellt. Der Regieraum sollte so neutral wie möglich sein, damit der Tonmeister nur das hört, was auf seiner Aufnahme ist. Um dieses Ziel zu erreichen, werden sehr kurze Nachhallzeiten benötigt. Außerdem ist der zulässige Toleranzbereich sehr eng. Dies ist nur mit sehr hohem Aufwand und unter messtechnischer Kontrolle der Baumaßnahmen zu erreichen.

Raumakustische Planung mit Hilfe der DIN 18041

Zur raumakustischen Planung von Räumen steht seit 2016 die überarbeitete Fassung der DIN 18041 "Hörsamkeit in kleinen bis mittelgroßen Räumen" zur Verfügung.

Diese Norm gibt Soll-Nachhallzeiten Tsoll für bestimmte Raumarten wie Unterrichts- Musik, Tagungs- und Konferenzräume sowie Sport- und Schwimmhallen vor.

Kompaktübersicht

DIN 18041 "Hörsamkeit in kleinen bis mittelgroßen Räumen"
Gliederung
Räume der Gruppe A "Hörsamkeit über mittlere und größere Entfernungen"		Räume der Gruppe B "Hörsamkeit über geringe Entfernungen"
Musik	Musikunterrichtsraum mit aktivem Musizieren und Gesang Rats- und Festsaal für Musikdarbietungen	Einzel-, Mehrpersonen- und Großraumbüros Call-Center Verkaufsräume, Gaststätten Publikumsräume für ÖPNV, Fahrkartensch. Sprechzimmer in Anwalts- und Arztpraxen Bürgerbüros Operationssäle, Behandlungs- und Reharäume Lesesäle und Leihstellen in Bibliotheken Werkräume (z. B. Lehrwerkstatt) Öffentlichkeitsbereiche, Publikumsverkehrsfl. Foyers, Ausstellungsräume Speisegaststätten, Kantinen
Sprache	Gerichts- und Ratssaal Gemeindesaal, Versammlungsraum Musikprobenraum in Musikschulen o.Ä. Sport- und Schwimmhallen mit Publikum
Unterricht	Unterrichtsraum (außer für Musik), Hörsaal Musikunterrichtsraum mit audio- visueller Darbietung Gruppenräume in Kindergärten, Seniorentagesstätten Seminarraum, Interaktionsraum Hörsaal Raum für Tele-Teaching Tagungs- und Konferenzraum Darbietungsraum ausschließlich für elektroakustische Nutzung (z. B. kleine Revuetheater)
Sport 1	Sport- und Schwimmhallen ohne Publikum, einzügiger Betrieb
Sport 2	Sport- und Schwimmhallen ohne Publikum, mehrzügiger Betrieb
Worin unterscheiden sich die beiden Raumgruppen? Räume der Gruppe A Es werden konkrete Anforderungen festgelegt. Räume der Gruppe B Es werden nur Empfehlungen ausgesprochen.

Räume der Gruppe A

Die Räume der Gruppe A sind nach so genannten Nutzungsarten (Musik, Sprache, Unterricht, Sport 1 und Sport 2) gegliedert. Mit Hilfe des Raumvolumens kann für jeden Raumtyp der Gruppe A die raumakustische Anforderung in Form einer Soll-Nachhallzeit Tsoll [s] festgelegt werden. Diese Soll-Nachhallzeit muss durch eine geeignete raumakustische Konzeption sichergestellt werden.

Musik: Tsoll = [0,45 · lg(V) + 0,07] s

Sprache: Tsoll = [0,37 · lg(V) – 0,14] s

Unterricht: Tsoll = [0,32 · lg(V) – 0,17] s

Die Soll-Nachhallzeiten Tsoll [s] gelten für besetzte Räume (Inventar + Personen). Im unbesetzten Zustand sollte die Nachhallzeit des Raumes nicht mehr als 0,2 s über dem Sollwert liegen!

Für Sport- und Schwimmhallen mit 2000 m³ ≤ V ≤ 8500 m³ gilt:

Sport 1: Tsoll = [1,27 · lg(V) – 2,49] s

Sport- und Schwimmhallen ohne Publikum für normale Nutzung und/oder einzügigen Unterrichtsbetrieb (eine Klasse oder Sportgruppe, einheitlicher Kommunikationsinhalt).

Sport 2: Tsoll = [0,95 · lg(V) – 1,74] s

Sport- und Schwimmhallen ohne Publikum für mehrzügigen Unterrichtsbetrieb (mehrere Klassen oder Sportgruppen parallel mit unterschiedlichem Kommunikationsinhalt).

Beispiel:

Für einen Klassenraum mit 180 m³ Raumvolumen soll die Soll-Nachhallzeit Tsoll [s] ermittelt werden. Klassenräume gehören zur Nutzungsart „Unterricht“, folglich muss auch die entsprechende Formel für „Unterricht“ verwendet werden:

Unterricht:

Tsoll = [0,32 · lg(V) – 0,17] s

Tsoll = [0,32 · lg(180 m3) – 0,17] s

Tsoll = 0,55 s

In der Praxis darf man von diesem Soll-Nachhallzeitwert in einem gewissen Umfang auch abweichen. Im Frequenzbereich von 250 Hz bis 2000 Hz darf die Abweichung ± 20 % betragen.

Räume der Gruppe B

Für Räume der Gruppe B werden gemäß DIN 18041 nur Empfehlungen beschrieben, die eine der Raumnutzung angepasste Sprachkommunikation über eine geringe Entfernung ermöglichen sollen. Durch geeignete Schallabsorptionsmaßnahmen soll der Gesamtstörschalldruckpegel und die Nachhallzeit im Raum gesenkt werden. Die Einhaltung einer Soll-Nachhallzeit ist gemäß DIN 18041 aber nicht notwendig!

Grundlagen der Raumakustik