Raummoden: Grundlagen und Darstellung mit Akulap
In geschlossenen Räumen kommt es durch die Geometrie zu besonderen Resonanzerscheinungen, den Raummoden. Bei bestimmten Frequenzen bilden sich stehende Wellen aus, der Raum „dröhnt“. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn Wände und Decken jeweils parallel zu einander sind. Die Raummoden sind um so tiefrequenter, je größer der Raum ist. Ein Raum hat eine Grundfrequenz, die tiefste Raummode. Dies ist die tiefste Frequenz bei der sich noch stehende Wellen ausbreiten können. Im allgemeinen wird diese Grundfrequenz durch die längste Achse im Raum bestimmt. Zu höheren Frequenzen hin, sind immer mehr Resonanzfrequenzen möglich. Die Moden verdichten sich mit zunehmender Frequenz. Die höheren Moden sind deutlich bedämpfter und treten akustisch nicht so stark in den Vordergrund. Daher sind Raummoden hauptsächlich in kleineren Räumen problematisch, wo die Grundfrequenz im Hörbereich liegt. Bei großen Räumen liegt die Grundfrequenz schon unterhalb des Hörbereichs, so das nur höhere Moden von akustischer Bedeutung sind.
Welche Probleme treten auf?
Raumoden können die Musikwiedergabe erheblich beeinträchtigen. Deshalb sind Subwoofer in Heimkinossystemen häufig problematisch und klingen nicht zufriedenstellend. Tieffrequenter Verkehrslärm kann sich in solchen Räumen mit ausgeprägten Moden besonders gut entfalten. In Schulungsräumen können Raummoden die Sprachverständlichkeit erheblich beeinträchtigen. Dieses Problem wird dadurch verschärft, da selbst akustisch „sanierte“ Räume ein hohes Absorptionsverhalten oberhalb von 300Hz haben, da poröse Absorber großzügig verbaut wurden. Die Raummoden werden dadurch jedoch nicht beeinflusst und treten in dem ansonsten bedämpften Umfeld besonders störend in Erscheinung.
Wie können Raummoden verringert werden?
Die wirkungsvollste Maßnahme ist eine veränderte Geometrie des Raumes. Dies ist bei Sanierungsmassnahmen jedoch schwer umzusetzen. Möbel können hier jedoch auch helfen. Bei elektronischer Musikwiedergabe durch Lautsprecher können die Raummoden als Anregungssignal durch Signalprozessoren rausgefiltert werden. Spezielle Tiefenabsorber (Helmholtz-Resonatoren) können die Raummoden deutlich verringern. Da sowohl die Raummoden als auch die Helmholtz-Resonatoren schmalbandig sind, müssen beide exakt aufeinander eingemessen und abgestimmt werden. Die Resonanzeigenschaften durch die Raummoden sind in den Ecken des Raumes besonders ausgeprägt. Typischerweise werden diese Absorber in den Ecken platziert, da dort am meisten Schallenergie vorhanden ist.
Wie können Raummoden gemessen werden?
Raummoden können am einfachsten aus der Raumimpulsantwort bestimmt werden. Moderne Messsysteme wie Akulap können die Raumimpulsantwort auch bei tiefen Frequenzen durch die Chirp-Methode zuverlässig ermitteln. Meßsysteme, die nur mit der Rauschmethode arbeiten, um die Nachhallzeit zu messen sind ungeeignet. Diese Systeme (in der Regel Handschallpegelmesser) messen nur die Nachhallzeit in Terzen. Grundvoraussetzung ist jedoch die Messung der Raumimpulsantwort.
Üblicherweise verwendet man das Spektrogramm oder die Wasserfall-Darstellung.
Die Nachhallzeit eignet sich nicht für tiefe Frequenzen
Raumakustik wird vielfach mit der Nachhallzeit verknüpft, da diese der bekannteste Parameter ist. Eine sinnvolle Aussage zur Nachhallzeit setzt aber voraus, dass die Abklingkurve möglichst linear abfällt. Dies ist jedoch nur bei einem diffusem Schallfeld der Fall. Und genau dies ist bei tiefen Frequenzen nicht der Fall. Tiefe Frequenzen bedeutet hier immer in Bezug zur Raumgröße. Jeder Raum hat in Abhängigkeit von der Geometrie eine Grenzfrequenz (Schröder Frequenz). Frequenzen, die darunter liegen, bezeichnen wir als tiefe Frequenzen.
Übliche Messgeräte zeigen auch bei tiefen Frequenzen eine Nachhallzeit an. Diese Nachhallzeit hängt jedoch stark von der Raumposition ab. wir bekommen regelmäßig Anfragen von Kunden, ob denn unser Messystem defekt ist, da die Nachhallzit bei 80Hz so stark schwankt und scheinbar zufällig wirkt. Nein, dies ist kein Fehler des Messsystems. Es gibt bei diesen Frequenzen schlicht nicht eine Nachhallzeit. Tiefe Frequenzen müssen komplett anders ausgewertet werden.
Über welche Funktionen verfügt Akulap für Raummoden?
- Darstellung als Spektrogramm oder Wasserfall
- Analyse von Raumimpulsantworten aus .wav Dateien
- Spezieller Assistent zur Messung von tieffrequenten Raummoden mit Chirp
- Grafische Auswahl des Analyse Bereichs
Beispiele für die Darstellung
Das folgende Bild zeigt die Raumimpulsantwort im Bereich von 500ms. Hier erkennt man auch schon optisch eine ausgeprägte Resonanzfrequenz.
Die genaue Frequenz kann man am besten aus einem Spektrogramm ermitteln. Hier werden Zeit Frequenz und Pegel kombiniert aufgetragen. Unten ist die Zeitachse aufgetragen, Vertikal befindet sich die Frequenzachse. Der Pegel wird durch die Farbe dargestellt. Der Pegel kann mit der Farbtabelle links ermittelt werden. Akulap verfügt aber auch über einen Cursor, mit dem Sie Pegel und Frequenz genau ermitteln können.
In diesem Beispiel ist die Grundfrequenz 40Hz.
Häufig wird auch die Wasserfalldarstellung verwendet. Diese 3D Darstellung wird auch als „Cumulative Decay Plot“ bezeichnet.
Sie können diese 3D-Darstellung mit der Maus in Echtzeit drehen und verschieben.
Dadurch können Sie den Signalverlauf aus beliebigen Perspektiven betrachten.
Sie können in der Raumimpulsantwort mit dem Messrechteck einen Bereich auswählen. Die 3D Darstellung wird automatisch aktualisiert, wenn Sie das Messrechteck verschieben oder in der Größe verändern.
Bei dieser Darstellung wurde ein Ausschnitt von 30ms gewählt. Hier kann man gut erkennen, das mit zunehmender zeitlicher Auflösung, die Frequenzauflösung verringert wird. Dies ist kein Darstellungsfehler sondern ein sehr grundsätzlicher Effekt aus der Signaltheorie. Wenn wir also Raummoden mit hoher Frequenzauflösung bestimmen möchten, so sollte der Zeitabschnitt möglichst lang sein.
Das Spektrogramm vom gleichen Ausschnitt (30ms) zeigt auch die geringe Frequenzauflösung.
Welche Absorber sind geeignet?
Das Ziel ist es, den Raum bei seinen Resonanzfrequenzen wirksam zu bedämpfen. Poröse Absorber, wie Schaumstoff oder Faserplatten, sind bei den Frequenzen von 30Hz bis 100Hz leider wirkungslos. Diese Absorber verschlimmern das Problem nur, da sie bei hohen Frequenzen ab ca. 400Hz sehr wirksam sind, gleichzeitig die unteren Frequenzen ungedämpft sind. Ein solcher Raum erhält eine sehr unnatürliche Akustik. Daher verwendet man Tiefenabsorber, d.h. Plattenschwinger oder Helmholtz-Resonatoren. Diese Tiefenabsorber sind jedoch schmalbandig. Man benötigt daher für jede Raummode einen passenden Absorber.
