Die raumakustische Gestaltung

des Heimkinos:

 

Einen wesentlichen Anteil an der akustischen Qualität eines Raumes trägt die sogenannte Nachhallzeit bzw. das Abklingverhalten des Schalls. Sie ist ausschlaggebend dafür, ob der Zuschauer in einem Heimkino den Klang der Lautsprecher als ausgewogen und dynamisch sowie klar und gut verständlich wahrnimmt, oder ob er ihn als zu dumpf und dröhnend oder zu schrill und hallig empfindet. Im schlechtesten Fall verfremdet eine schlechte Raumakustik die vom Sound Editor und Regisseur gewünschte Klangkulisse und im besten Fall trägt die Raumakustik, wie ein guter Lautsprecher, ganz wesentlich zu einer angenehmen Sound - Atmosphäre bei und unterstützt die akustischen Effekte und die zu erzeugende Stimmung des Films.

Ich stütze mich bei den folgenden Ausführungen auf die Literatur von FRIESECKE, TOOLE und EVEREST & POHLMANN sowie einige andere Artikel und Hompages, zu denen ich Links gesetzt habe.

Nachhallzeit und Energy Time Curve (ETC)

Die Nachhallzeit wird mit dem Wert RT60 angegeben. Die Bezeichnung gibt die Zeit in Sekunden an, die der Raum benötigt, bis ein Schallereignis von der Entstehung bis um 60 dB, den tausendsten Teil des Schalldruckanfangswertes, abgeklungen ist. Diese Messungen werden richtigerweise nicht mit den im Hörraum vorhandenen, sondern speziellen Lautsprechern bzw. teilweise sogar mit einer Pistole gemacht.

Da die korrekte Form der Messung in den eigenen vier Wänden schwierig ist, u.a. weil ein normalgroßes Heimkino kein ausreichend diffuses Schallfeld darstellt, bieten sich andere Formen der Darstellung und Analyse an. Eine Möglichkeit wäre das Wasserfalldiagramm, welches das Abklingverhalten des Raumes angibt und sehr gut die sog. Raummoden im unteren Frequenzbereich sichtbar macht.

Ein weiteres Werkzeug ist die Energy Time Curve (ETC - siehe Skizze unten), welche den gesamten Schallenergieverlauf auf einer Zeitachse angibt.

 

Zeitlicher Verlauf des Schallfeldes

Die Grafik zeigt den zeitlichen Verlauf des Schallfeldes. Zu Beginn steht das Direktsignal, worauf die ersten, sogenannten frühen Reflexionen (auch Kurzzeit- oder Anfangsreflexionen) des Direktsignals von der Rückwand, dem Boden, der Decke und den Seitenwänden am Hörplatz ankommen. Zeitlich danach folgen weitere Reflexionen, welche als diffuser Nachhall bezeichnet werden.

 

Ziel der akustischen Gestaltung des Heimkinos ist eine gleichmäßige, ausreichend kurze Nachhallzeit über den gesamten Frequenzgang.

 

Nachhall im Heimkino

Eine genaue Zeitvorgabe für die Nachhallzeit in einem Heimkino gibt es nicht. Der Rahmen für die Nachhallzeit von 200Hz bis 8kHz kann aber mit zu hallig (über ca. 0,5s) und zu trocken (unter 0,2s) abgesteckt werden. Die Nachhallzeit für Frequenzen unterhalb von 200Hz dürfen etwas länger sein, oberhalb von 8kHz etwas geringer (vergl. auch Toleranzschlauch - Vorgaben der Audio Engeneering Society für das Referenz - Schallfeld und Toleranzschlauch aus Studio Akustik von Friesecke).

Zu hallige Räume verschlechtern die Sprachverständlichkeit, weil der Schall einer abklingenden Silbe das Direktsignal der nächsten Silbe eines Wortes überlagern kann. Musik bestimmter Musikrichtungen kann dagegen auch in halligen Räumen noch angenehm sein, Geräusche und Sound Effekte können dagegen schnell schrill und überspitzt klingen und im Laufe eines Filmes anstrengend für den Zuschauer bzw. Zuhörer werden. Akustisch zu trockene Räume verschlucken leise Geräusche eher und unterstützen ihren Klang nicht durch den Nachhall. Der Aufenthalt in Räumen mit sehr kurzer Nachhallzeit ohne Musik und Ton wird allgemein als unangenehm und bedrückend empfunden.

Die raumakustische Gestaltung findet zwischen diesen beiden Extremen statt. Es gilt den Raum ausreichend absorptiv zu halten, damit Geräusche besser zu orten sind und weniger Schallenergie aus einer falschen Richtung vom Gehör zur Lokalisation herangezogen wird, insbesondere bei der Mehrkanalwiedergabe. Es gilt jedoch ebenso, durch Einplanung ausreichend vorhandener schallharter und/oder mit Diffusoren versehener Flächen, eine angenehme akustische Raumatmosphäre für die Filmwiedergabe zu entwerfen.

Der ultimative Test zur Bewertung der Akustik und der Sprachverständlichkeit ist, wenn eine Person von der Position des Centers spricht, während sich die andere ihr zugewand im Raum auf den verschiedenen Sitzplätzen des Heimkinos unterhält. Bei zu trockenen Räumen mit zu kurzer Nachhallzeit klingen Stimmen gedämpft und es muss mehr Energie als sonst aufgewendet werden, um miteinander zu sprechen. Dies ist unangenehm und gilt es zu vermeiden.

Das Schallfeld sollte im weiteren zeitlichen Verlauf gleichmäßig und diffus abklingen. Einzelne harte Reflexionen sind nicht erwünscht. Sie werden vom Zuhörer für unangenehmer eingestuft als eine diffusierte Reflexion (vergl. Raumakustik in Regieräumen). Die Nachhallzeit dieses reflektierten Signals wird durch die Diffusion länger.

Nachhall im Aufnahmestudio

Für die Gestaltung von Regie- und Studioräumen wird hingegen empfohlen, die Nachhallzeit extrem kurz zu halten, damit aufgenommene und sowie künstlich erzeugte Rauminformationen des Sound Editors wahrzunehmen sind und nicht vom Schallfeld des Regieraumes überlagert werden. Für solche Räume gibt es konkrete Vorgaben von der Audio Engeneering Society (AES) bezüglich der Nachhallzeit, wie sie hier auf S.10 zu finden sind. In solchen speziellen Aufnahmeräumen wird es bevorzugt, wenn frühe Reflexionen stark bedämpft werden bzw. gar keine Reflexionen am Hörort ankommen. Durch eine spezielle Raumgestaltung werden diese vom Referenz-Hörort weggeleitet.

Initial time-delay gap (ITD Gap)

Ein wichtiges Element des Nachhalls ist das Initial time-delay gap (ITD gap), oder auch Anfangszeitlücke. Das ITD Gap beschreibt die Zeit zwischen Eintreffen des Direktschalls und dem Eintreffen der ersten starken Reflexion am Hörort. Der Zeitabstand gibt dem Zuhörer Informationen über die Größe des Raumes. Der ITD Gap sollte 10 Millisekunden lang sein und die ersten Reflexionen um 10 - 20 dB (je nach Quelle) geringer als der Direktschall ausfallen.

ITD-Gap_Definition

Ist das ITD Gap vorhanden, also frühe Reflexionen kommen entsprechend später und leiser zum Hörort, verbessern sich die Lokalisation von Phantomschallquellen, Schallereignisse klingen klarer und örtlich näher. Die Abbildungstreue der Lautsprecher verbessert sich. Ist das ITD Gap nicht vorhanden, klingen Schallquellen weiter entfernt und weniger deutlich.

Eine gut erkennbare Anfangszeitlücke sowie ein geradliniges und schnelles Abklingverhalten eines diffusen Nachhalls kennzeichnen einen gut gestalteten Raum (POHLMANN).

Frühe Reflexionen

In wiefern frühe Reflexionen wirklich schädlich für den Klang sind und ob dies für (m)ein Heimkino zutrifft, oder eher auf Regieräume, ist schwer zu beurteilen, vor allem ohne es selbst überprüft zu haben. Frühe Reflexionen werden nicht in allen Veröffentlichungen als schlecht angesehen, sondern sie bieten nach Auffassung einiger Autoren eine Räumlichkeit, welche von vielen Zuhörern gewünscht wird. Eine sehr gute Zusammenfassung dieser Meinung ist hier zu finden.

Anschaulich wird das Problem an folgendem Beispiel: In einer natürlichen Umgebung wie bei einem Konzert gelangt der erzeugte Schall eines Instrumentes durch einen Raum zu des Ohren des Zuhörers und wird auf dem Weg bereits mehrfach reflektiert. Zum Direktschall mischt sich immer auch diffuser Nachhall. Der Mangel an "ausreichendem" Diffusschall in einer stark bedämpften Umgebung eines Heimkinos, in welchem der Schall häufig nur aus einem Lautsprecher (Center) ertönt, könnte die Schallquelle zu präzise und zu punktuell, zu unnatürlich werden lassen. Hier könnte eine bestimmte Menge an Nachhall, erzeugt durch Reflexionen im Heimkino von Vorteil sein (aus TOOLE).

Ich werde in dieser Hinsicht noch verschiedene Möglichkeiten ausprobieren und sie bei Bedarf wieder ändern (siehe weiter unten Aufstellung der Absorber).

 

Messequipment

Ich benutze ein Messmikrofon (Behringer ECM 8000) an einem 24-Bit-Audio-/MIDI-Interface von TASCAM (US-122L). Das Mikrofon wird an einem Stativ am Sitzplatz auf Ohrhöhe in Deckenrichtung installiert und an das Interface angeschlossen, welches per USB mit dem Notebook verbunden ist. Der gravierende Vorteil den ein externes Interface bietet, ist die Duplex-Funktion. Das Messprogramm gibt dabei gleichzeitig einen Sweep-Ton aus, während es über das Mikrofon die entsprechenden Frequenzen aufnehmen kann. Soundkarten in den Standard-Notebooks sind dazu nicht in der Lage und sollten aufgrund ihres recht starken Rauschens und ihrer eher einfachen Qualität für verlässliche Aufnahmen gemieden werden. Ich verwende zur Auswertung der Daten den "Room Equalizer Wizard". Zur Kalibration des Schalldrucks setze ich ein professionelles Pegelmessgerät ein.

Das von mir verwendete Mikrofon könnte man zusätzlich noch vom Fachmann kalibrieren lassen. Ich hingegen benutze ein sogenanntes "Calibration File", welches die üblichen, produktionstechnischen Abweichungen dieses speziellen Mikrofontyps ausgleicht.

Messungen unterstützen die Analyse der Raumakustik nach durchgeführten Veränderungen und können zum Erkenntnisgewinn beitragen. Sie sollten aber meiner Meinung nach ab einem bestimmten Punkt bei der akustisch-atmosphärischen Gestaltung und Auslegung des Heimkinos in den Hintergrund treten.

Kostenfreie Mess - Software ist hier zu finden:

ETF 5  ARTA   Room EQ Wizard   Carma

Eine ausführliche Anleitung in deutsch zum Room Equalizer Wizard ist hier zu finden.

 

Behringer ECM 8000 Tascam US122l_thumb

Behringer ECM 8000

TASCAM US-122L

 

Raumakustische Gestaltungselemente

 

Die Funktion von Absorbern

Um die Raumakustik im Sinne einer Veränderung des Abklingverhaltens zu gestalten, bieten sich zunächst einmal Absorber an. Alle Schallabsorber wandeln die Schallenergie in der Luft in Wärmeenergie um. Es gibt sogenannte poröse Absorber, Plattenschwinger und Resonatoren.

Poröse Absorber

Man kann poröse Absorber (Mineralwolle wie Stein- oder Glaswolle; Schaumstoffe) einsetzen um unerwünschte Reflexionen von Wänden zu unterdrücken und um lange Nachhallzeiten zu verkürzen. Im Internet finden sich zahlreiche Hersteller bzw. Händler, die auch eine Beratung sowie verschiedenste Produkte zur akustischen Gestaltung anbieten.

Bei der Aufstellung der porösen Absorber kommt es häufig zu Missverständnissen, nicht zuletzt aufgrund der Herstellerangaben bekannter Schaumstoffe. Poröse Absorber entziehen dem Raum Schallenergie und wandeln diese durch ihre Beschaffenheit zuerst in Bewegungsenergie und schließlich in Wärmeenergie um. Dies tun sie am besten dort, wo die Schallenergie ihre schnellsten Bewegungen ausführt, am Schallschnellemaximum. Das ist bei 1/4 der Schallwellenlänge vor der Wand. Die Wellenlänge jeder Frequenz ist anders, also hat jede Frequenz ihr Schallschnellemaximum an einem anderen Punkt im Raum. Tiefe Frequenzen haben lange Schallwellen, hohe Frequenzen kurze (Umrechnungstool siehe hier).

So ist zum Beispiel die Schallwelle von 80 Hertz ca. 4,30 m lang und das Schallschnellemaximum bei ca. 1,07m von der Wand entfernt. Der Absorber steht also recht weit im Raum, wenn er effektiv arbeiten soll. Je näher er zur Wand steht, desto weniger effektiv arbeitet er für diese Frequenz. Bei hohen Frequenzen ergeben sich entsprechend kürzere Abstände zur Wand. Bei 4000 Hz ist das Schallschnellemaximum ca. 2,1 cm von der Wand entfernt.

Zusätzlich zum Aufstellungsort ist ebenfalls die Stärke und die Beschaffenheit des porösen Materials zur Absorption einer Schallwelle von Wichtigkeit. Kurz gesagt, der Luftwiderstand des verwendeten Materials muss ausreichend groß sein und die Stärke des Absorbers muss, gerade für tiefe Frequenzen, groß genug sein. Deshalb eignen sich übliche, käufliche poröse Absorber nur sehr bedingt zur Behandlung von sehr tiefen Frequenzen, sind aber sehr effektiv für Frequenzen ab ca. 250 Hz aufwärts.

Plattenresonatoren

Eine andere Methode zur Verringerung der Nachhallzeit auf mechanischen Wege ist der Einsatz von Plattenresonatoren (auch Plattenabsorber, Plattenschwinger). Diese sind recht einfach selbst zu bauen. Dafür wird ein Holzkasten einer spezifischen Größe hergestellt, zur Hälfte mit Dämmmaterial ausgekleidet und vorn mit einer dünneren Hartfaserplatte versehen. Die Absorber sind für alle tiefe Frequenzen ausgelegt. Mit der dünnen Platte in den Raum zeigend wird dieser Resonator an die Wand gehängt. Treffen tieffrequente Schallwellen auf die Hartfaserplatte, wird diese zum Schwingen gebracht. Die Schallenergie wird im luftdichten Inneren in das Dämmmaterial gedrückt und in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Absorber arbeiten breitbandig und lassen sich nicht so genau auf eine bestimmte Frequenz einstellen. Am besten arbeiten diese Absorber im Gegensatz zu den porösen Aborbern am Schalldruckmaximum. Dies entsteht an den Wänden und in den Raumecken. Diese Art von Absorber sind für tiefe bis sehr tiefe Frequenzen geeignet.

 

Plattenresonatoren
Eckabsorber Plattenresonator
Plattenresonatoren_rear

 

Hier ist mehr Bilder und Informationen zur Berechnung und zum Bau meiner Plattenresonatoren zu finden.

Weitere Bauanleitungen sind hier zu finden:Bauanleitung,

BBC (Design of a modular sound absorber for very low frequencies)

 

Zu den Plattenschwingern zählen auch die VPRs, sogenannte Verbundplattenresonatoren. Diese funktionieren praktisch genauso, sind aber aus anderen Materialien hergestellt und etwas anders aufgebaut. Hier verwendet man statt einer Hartfasermembran eine aus Metall. Das Dämmmaterial ist in den Regel ein Schaumstoff (Caruso Iso Bond oder Basotect), welcher hinter die Membran geklebt wird.

Hier noch ein Link zu "Bassfallen": stereoplay

 

Helmholtz - Resonatoren

Recht genau auf eine Frequenz lassen sich Helmholtz - Resonatoren abstimmen. Dort wird eine definierte Luftmenge (in einem Rohr o.ä.) in Schwingung versetzt und entzieht dem Raum bei Auftreten der abgestimmten Frequenz die Schallenergie.

Genaueres zur Funktion von Helmholtz-Resonatoren ist hier zu finden: Funktion                                

Weitere Artikel zu Absorbern und Bassfallen sowie zur Raumakustik auf www.stereoplay.de und

 http://www.aixfoam.de/basiswissen-akustik                                                                   

 

Die raumakustische Gestaltung der Front:
Poröse Absorber für den Hoch- und Mittelton

 

Zu Beginn steht die Feststellung des Ist-Zustandes an. Mit Messmikrofon (Behringer ECM 8000) externer Soundkarte (TASCAM US-122l) und entsprechender Software (REW - Room Equalizer Wizard) ist das recht schnell gemacht. So schlecht sieht das alles gar nicht aus. Die Nachhallzeiten liegen bereits innerhalb der Vorgaben für einen „professionellen Abhörraum“ (siehe Grafik RT-60 Messung).

Nachhall_thumb

 

Welche Absorber sind geeignet?


Textfeld: Absorptionsgrad nach DIN 52212  AixFoam 50mm Stärke  125 Hz: 0,19  250 Hz: 0,53  500 Hz: 0,81    1000 Hz: 1,00    2000 Hz: 0,94    4000 Hz: 1,01            Auf der Suche nach geeigneten Absorbern bin ich neben dem Selbstbau mit Mineralwolle, Basotect oder professionellem von R-T-F-S  auch auf AixFoam gestoßen. Das Preisleistungsverhältnis, die Farben und im Wesentlichen sie Absorptionseigenschaften haben mich überzeugt.

Es gibt vor allem auf You-Tube zahlreiche Anleitung zum Bau solcher Absorber mit Mineralwolle. Diese funktionieren toll und sind sehr günstig zu realisieren (habe sie auch schon gebaut und im Einsatz). Jedoch wollte ich in diesem Fall etwas, das auch nett aussieht, schließlich sind sie im Frontbereich. Wenn man sich beim Bau geschickt anstellt, sehen diese Mineralwolleabsorber auch später nicht aus wie dicke Kopfkissen an der Wand ;-)

Ich gehe mal davon aus, dass für den Beginn 4qm ausreichend sein werden. 16 anthrazitgraue Quadrate von 50cm x 50cm Kantenlänge mit 50mm Stärke sind im Paket enthalten. Von Vorteil ist die rückseitige Beschichtung mit Klebeband, falls man die Platten direkt auf die Wand kleben möchte. Ich war mir da noch nicht sicher und wollte mir alle Optionen offen halten. Ich habe mich für 50mm entschieden, weil mir die Nachhallzeit und die Verbesserung der Sprachverständlichkeit am wichtigsten sind. Dazu sollte der Absorptionsgrad auch bis zu 500 Hz noch ausreichend gut sein. Die Literatur empfiehlt z.T. noch größere Stärken. So gibt TOOLE eine Stärke von mindestens 3-4 Inches (76mm – 102mm) an. Das Kriterium ist in diesem Zusammenhang die gleichmäßige Absorption. Da sie bei mir gegeben ist, reichen die 50mm offensichtlich. Ein Tipp den ich des Öfteren gelesen habe:  Etwas Luft zwischen Dämmmaterial und Wand lassen. Damit erhöht sich die Wirksamkeit und man spart an den z.T. teuren Absorbern.  

 

 Zur Montage:


Ich habe die Absorber auf einen kleinen Rahmen geklebt, so dass ich sie jederzeit wieder woanders hinhängen oder ganz abnehmen kann. Das Holz für den Rahmen ist aus dem Baumarkt und wurde auf Länge gekürzt und verleimt. Das Anthrazitgrau ist zwar schon nicht schlecht, doch schwarzes Akustiktuch sieht noch besser aus und schluckt das Licht in Leinwandnähe auch besser.

AixFoam - Absorber

AixFoam_Ab_thmb_1 AixFoam_Ab_thmb_2 AixFoam_Ab_thmb_3
AixFoam_Ab_thmb_4 AixFoam_Ab_thmb_5 AixFoam_Ab_thmb_6
AixFoam_Ab_thmb_7 AixFoam_Ab_thmb_8 AixFoam_Ab_thmb_9

Die Aufstellung der Absorber


Die komplette Wand hinter den Lautsprechern sollte absorptiv gestaltet werden. Dies unterdrückt einerseits unerwünschte Kammfiltereffekte und verbessert andererseits das ITD Gap. Da die Leinwand logischerweise wegfällt, verbleiben 3 x 0,5 m hinter den Lautsprechern und je 1 x 0,5 m über den Mains.

Man sollte sich als Richtmaß die Höhe der Hochtöner nehmen und dann die ersten Reflexionspunkte an den Wänden ermitteln. Von diesen Punkten sollte die Wand ca. 0,5 bis 0,6 m nach oben und unten mit absorptivem Material ausgestattet werden.

 

Absorber hinter den Frontlautsprechern
AixFoam_Ab_thmb_10 AixFoam_Ab_thmb_11

Absorber_front

 

Die ersten Reflexionen sind in meinem Heimkino allerdings die Seitenwände, also sollten auch hier Schaumstoffplatten angebracht werden.

Seltsamerweise gibt es gerade hier unterschiedliche Angaben. Der Lautsprecherhersteller Audio Physic gibt auf seiner Homepage den Hinweis, dass nur die ersten 5 ms nach dem Direktschall von Bedeutung sind und alles danach von unserem Gehirn unterdrückt wird. Bei einer Schallgeschwindigkeit von 344m/s ist dies ein Umweg von 1,72m. Alles weiter entfernt als ein Umweg dieser Strecke sei kein Problem für das Gehirn und muss demnach nicht gedämmt werden. TOOLE rät in „Sound Reproduction“ bei Surroundtonwiedergabe die seitlichen Wände mit Absorbern zu gestalten, in Stereo hingegen nicht unbedingt und hält die seitlichen Maßnahmen für eine Option. Auch POHLMANN hält laterale Reflexionen für eine Option, mit der die Räumlichkeit und Abbildung im Hörraum gestaltet werden kann. FRIESECKE fordert, wie bereits oben erwähnt, den ITD-Gap einzuhalten und ALLE ersten Reflexionen zu verringern (er bezieht sich allerdings im Wesentlichen auf Regie- und Aufnahmeräume).

Das Belassen von schallharten Flächen als Reflexionspunkte an den Seitenwänden kann also den positiven Effekt der Erweiterung des Klangfeldes haben. Nach der Installation des Deckensegels habe ich die Elemente an den Seiten wieder entfernt, da der Raum sonst zu trocken klingen würde.

Hier noch etwas zur Aufstellung poröser Absorber im Rear-Bereich.

 

Das Deckensegel:


Vor allem bei der Planung und Konstruktion eines Tonstudios wird auf dieses Element der raumakustischen Gestaltung nicht verzichtet. Gemeint damit ist, dass die Reflexionspunkte unter der Decke mit absorptivem Material bedeckt werden. Ich meine auch einmal bei Ethan Winer (www.ethanwiner.com) gelesen zu haben, dass es für die menschliche Wahrnehmung einfacher ist, mit einem schallharten Boden und absorptiver Decke klarzukommen als umgekehrt, da sich der Mensch im Laufe seiner Evolution an diese Voraussetzungen in der Natur gewöhnt hat.

Nach der Anschaffung ausreichend starker Basotect-Stücke (116cm x 55cm x 7 cm) habe ich diese für die Deckenmontage vorbereitet. Dazu habe ich mir passende Spanplatten zusägen lassen (19mm damit sie später nicht durchhängen bzw. sich verziehen), die weißen Platten mit entsprechendem Akustikkleber für Melaminschaumstoffe aufgeklebt und diese dann mit farblich passendem Akustikstoff bespannt. Nach der Montage entsprechender Halterungen und der Markierung der Spiegelpunkte an der Decke wurden 3 Akustikelemente, je einer pro Lautsprecher, angebracht.

Haaseffekt?

Die Akustik im Raum änderte sich sofort und mir war klar, dass ich alle Lautsprecher inkl. der Subwoofer wieder neu einmessen und einpegeln muss. Am Ende stand die Hörprobe, die noch einmal einige Änderungen, unter anderem bezüglich der Hochpassfilter der Subwoofer, hervorbrachte. Bemerkenswert war die Feststellung, dass sich trotz peinlich genauer Einpegelung auf 75dB anhand des Rosa Rauschens des Receivers mit einem Schallpegelmessgerät die empfundene Lautstärke der Frontlautsprecher im Verhältnis zu den Surroundlautsprechern geringer war. Ich musste die 3 Frontlautsprecher um 4 dB lauter eingepegeln, damit sie im Film die im Verhältnis zu den Surroundlautsprechern passende Lautstärke haben. Ich führe diesen Effekt auf den massiven Einsatz der Absorber im Frontbereich zurück, welche die Reflexionen unterdrücken und damit den ersten Schallereignissen verzögerte Schallanteilte entziehen, welche die empfundene Lautstärke erhöhen (vergl. "Haaseffekt").

 

Die Funktion von Diffusoren

Diffusoren sind akustische Bauteile, die den Schall im Raum diffus verteilen sollen. Betrachtet man eine Schallreflexion, beispielsweise an einer ebenen und schallharten Wand oder Decke, wird der eintreffende Schall entsprechend dem Einfallswinkel mit nahezu gleicher Intensität reflektiert und wieder in den Hörraum zurückgegeben. Kommt eine solche Reflexion ohne Umwege direkt am Hörplatz an, kann sie genauso klingen wie der Direktschall, lediglich aus einer anderen Richtung und mit zeitlicher Verzögerung.

 

Vergleich Absorption Diffusion Reflexion

Solche (frühen) Reflexionen erkennt man in der Energy Time Curve als Balken kurz nach dem Direktsignal, welche nur geringfügig leiser sind. Möchte man ein ausreichend großes ITD Gap im Hörraum erreichen und gleichzeitig nicht zu viele Absorber einsetzen, damit der Raum nicht zu trocken klingt, macht der Einsatz von Diffusoren Sinn. Reflexionen am Hörplatz werden verringert, die Schallenergie im Raum wird aber nicht so stark herabgesetzt wie bei Absorbern und die akustische Atmosphäre bleibt "lebendig".

Gerade auch im hinteren Teil des Heimkinos macht der Einsatz von Diffusoren Sinn. Angenommen man betrachtet die Energy Time Curve für ein Schallereignis aus einem der Frontlautsprecher, so würde eine solche "harte" Reflexion an beispielsweise der Rückwand zeitlich zwar stark verzögert am Hörplatz ankommen, jedoch würde sie im ETC-Diagramm als Spitze im diffusen Nachhall auch akustisch auffallen und stünde einem schnellen Abbau der Schallenergie im Wege.

Möchte man bei der akustischen Gestaltung des Heimkinos bei Schallsignalen der Front im Wesentlichen eine laute, direkte und klare Zuordnung erreichen, so ist die akustische Anforderung an den Surroundbereich differenzierter. Hier ist zum einen eine klare Zuordnung gewünscht (spezielle Sound - Effekte), zum anderen jedoch spiegelt der Sound der Surroundkanäle den Hall der Front wieder und soll einen Raum oder Ort im Film akustisch darstellen. Dies kann durch den Einsatz von Diffusoren unterstützt werden, indem vor allem Reflexionen der Seitenwände nicht ausschließlich absorbiert, sondern auch diffus wieder in den Raum zurückgeworfen werden.

Manfred R. Schroeder hat sich bei seiner theoretischen und praktischen Arbeit intensiv mit Oberflächenstrukturen und ihrer diffusen Wirkweise auseinandergesetzt und dabei einen sehr effizienten Diffusor, den Quadratic Residue Diffusor (QRD) entwickelt (siehe auch hier). Diese Diffusoren sind die Standarddiffusoren in Tonstudios.

Es gibt sog. 1 D QRDs, welche den Schall aus horizontaler Richtung diffusieren, sowie auch 2 D QRDs, die horizontal und vertikal funktionieren. Ich habe mich für 2D QRD 5 Diffusoren entschieden und diese mit QR Dude berechnet. Aus Platzgründen werden diese zu jeweils 4er Blöcken angeordnet. Das ergibt 100 Fächer pro Diffusoreinheit bei einer Bautiefe von insgesamt 13,2 cm auf einer Fläche von 62,5cm x 62,5cm.

 

Muster Lamellen Well Wells_b
Setzkasten 4 x 2 D QRD 5  
2DQRD_Diffusoren_im_Heimkino

Auf den folgenden Seiten sind weitere Informationen und Programme für den Selbstbau solcher und anderer Diffusoren zu finden:

QR Dude ; mh-audio.nl ; digitalaudiorock

 

Anordnung raumakustischer Elemente

raumakustische Elemente

Oben ist eine Skizze mit der Anordnung der raumakustischen Elemente zu sehen. Die rot gekennzeichneten Flächen stellen poröse Absorber dar, die Plattenresonatoren sind blau. Der hochflorige Teppich (4cm) ist in grün eingezeichnet. Diffusoren sind in grau dargestellt und an ihrer unregelmäßigen Oberfläche zu erkennen. Das Bänkchen hinter dem Sofa ist mit Mineralwolle gefüllt. Nicht eingezeichnet sind die Vorhänge aus Molton, die sich vor den Fenstern sowie rechts und links neben der Leinwand befinden.

 

Die Nachhallzeit des Raumes:

Ich habe zur Veranschaulichung eine Grafik angeängt, welche die aktuellen Nachhallzeiten (RT = reverberation time) (von 08/12) im Toleranzlimit nach den Vorgaben der European Broadcasting Union EBU zeigen. Näheres ist auch in diesem Paper ("Mehrkanal-Surround-Sound: Systeme und Betriebsanwendungen" S.10 ff) nachzulesen. Es wird für das Referenz-Schallfeld am Hörort im Frequenzbereich von 200 Hz bis 4kHz eine Toleranz von +- 0.05 s vorgegeben (schwarze Linien), hier bei einer durchschnittlichen Nachhallzeit von 0,25 s.

Der Klang im Raum nach dieser aktuellsten Maßnahme ist nun, wie man sich denken und anhand der unten stehende Grafik auch sehen kann, sehr trocken. Trotzdem ist der Frontbereich noch nicht zu stark bedämpft. Stimmen klingen nicht muffig oder dumpf, sondern sind sehr gut zu verstehen. Mit der Installation der Absorber wird man mit einer sehr guten Raumabbildung der Lautsprecher sowie einer bisher nie gekannten Dynamik belohnt, welche die Toneffekte im Film noch besser zur Geltung bringen.

Nach längerem Ausprobieren hat es sich bei mir bewährt, die seitlichen Reflexionspunkte nicht mit Absorbern zu behandeln sondern schallhart zu belassen. Dies erweitert das wahrgenommene Schallfeld der Front zu den Seiten hin. Zudem habe ich den Eindruck, dass akustische Signale welche die Frontbühne seitlich verlassen und zu den Surroundlautsprechern wandern, besser an diese angebunden werden und sich das Klangfeld nun geschlossener darstellt.

Nachhallzeit

Deckensegel

Deckensegel_Basotect
Deckensegel_Basotect_b

Energy Time Curve des Raumes:

 

Hier sind vier Energy Time Curve - Diagramme zum Vergleich. Bild 1 zeigt mein Heimkino ohne poröse Absorber (2009), Diagramm 2 mit Absorbern an Front und im Rearbereich (2010), Diagramm 3 nach zusätzlicher Installation der Deckenabsorber (2012) und Bild 4 (2013) inklusive 4 2D QRD Diffusoren. Es lässt sich gut erkennen, wie sich im Bild von 2012 die Anfangszeitlücke (ITD-Gap) abzeichnet, weil der Pegel der Erstreflexionen gesenkt werden konnte. Im Bild von 2013 sind die Schallpegel der Reflexionen nocheinmal abgesenkt worden. Der diffuse Nachhall ist im Vergleich zum Direktsignal sukzessive leiser geworden. Insgesamt hat sich das Abklingverhalten stark verbessert. Es ist homogener, gradliniger und der diffuse Nachhall sinkt nun schneller.

 

2009 ohne poröse Absorber

 

2010 poröse Absorber an Front und Rückwand

ETC_ohne ETC_front
2012 mit zusätzlichem Deckensegel

2013 mit zusätzlichen Diffusoren

2012 ETC

 

Tieffrequenzwiedergabe im Heimkino

 

Das Ziel ist es, eine möglichst präzise und lineare Basswiedergabe zu erreichen.

 

Der Hörraum

Eine erste grobe Einschätzung lässt sich mit dem kostenfreien Raumeigenmoden-Rechner von Hunecke bekommen. Dieser gibt für einen 4 x 6 x 2,52m großen Raum Raumeigenmoden u.a. bei ca. 29 Hz und mehrere um 86 Hz an. Diese Frequenzen werden im oben genannten Raum am Hörplatz zu laut bzw. zu leise dargestellt. Grund dafür ist die Wellencharakteristik des Schalls. Reflektiert die Schallwelle an einer schallharten Wand und wird in den Raum zurückgeworfen, kann sich diese im ungünstigsten Fall mit den nachfolgenden Schallwellen der selben Frequenz überlagern. Dies kann zu Überhöhungen oder sogar Auslöschungen führen (sogenannte Raummoden oder Stehende Wellen. Siehe auch hier LINK). Um in einem geschlossenen, quaderförmigen Raum einen über alle Frequenzen gleichmäßig lauten Bass zu bekommen, muss man sich also etwas einfallen lassen.

Günstige Raumgrößenverhältnisse

Es gibt bestimmte Raumgrößenverhältnisse, die günstiger bzw. ungünstiger sind, um dem oben genannten Anspruch gerecht zu werden. Äußerst ungünstig sind Seitenmaße, die exakt gleich sind (wie beispielsweise eine quadratische Grundfläche) oder ein Vielfaches einer anderen Seite darstellen (wie z.B. 5m x 10m x 2,50m). In diesen Fällen sind die Räume nur unter sehr hohem Aufwand nutzbar zu machen. Günstige Größenverhältnisse zeichnen sich dadurch aus, dass die Raummoden gleichmäßig verteilt sind und es keine Häufungen bei einer bestimmten Frequenz gibt.

Die akustische Bedeutsamkeit von empfohlenen Raumgrößenverhältnissen ist umstritten. Denn neben den Raummaßen allein gibt es sehr viele zusätzliche Einflüsse auf die Modenstruktur bzw. deren wahrnehmbare Auswirkungen, die sich im Vorfeld nicht ohne Weiteres vorhersagen lassen. Wichtig sind in diesem Zusammenhang die Lautsprecheraufstellung, die Sitzposition, die Art und Position der Möbel, der Wandaufbau, vorhandene Fenster und Türen usw. "Everything matters" schreibt Toole und spricht auf oben genannte Einflüsse an. Ohne das passende Messequipment wird die Planung ein Blindflug, aber mit entsprechend ausgestattet lassen sich die wesentlichen Probleme identifizieren und erklären.

 

Quaderförmige Raumgrößenverhältnisse mit günstiger Modenverteilung

 

Newman_thumb Itu_Ebu_thumb

Oben sind zwei Diagramme nach gängigen Standards, welche akzeptable Raumgrößenverhältnisse angeben.

Unten eine Tabelle mit den bevorzugten Raumgrößenverhältnissen der genannten Autoren (aus EVEREST & POHLMANN).

 

Autor

 

Höhe

Breite

Länge

Sepmeyer
A
1.00
1.14
1.39
B
1.00
1.28
1.54
C
1.00
1.60
2.33
Louden
D
1.00
1.4
1.9
E
1.00
1.3
1.9
F
1.00
1.5
2.5
Volkmann
G
1.00
1.5
2.5
Boner
H
1.00
1.26
1.59

 

Mehr auch zu diesem Thema hier: Fastaudio

Auch wenn ein vorteilhaftes Raumgrößenverhältnis vorliegt, muss man sich ferner die genaue Modenstruktur des Raumes anschauen um weiter zu planen und Änderungen vorzunehmen. Denn den idealen Raum gibt es nicht.

Nach den letzen Umbauten änderten sich die Abmaße in meinem Heimkino ein wenig und sind nun bei: 2,51m x 3,99m x 5,94m = 1 : 1,59 : 2,37

Es befinden sich in meinem Raum eine Schräge, ein Kamin sowie andere schallharte Gegenstände welche eine Normberechnung nicht wirklich zulassen. Wäre der Raum absolut quaderförmig, ergäbe sich eine folgende Modenstruktur (berechnet mit Tool "Stehende Wellen" aus FRIESECKE):

 

Modenstrukur

Raummoden_thumb

 

Raummoden_Tabelle

 

Nun ist mit einer Messung abzugleichen, ob sich die errechneten Werte so auch im Wasserfalldiagramm für tiefe Frequenzen wiederfinden.

Wasserfalldiagramm A

Wasserfall

 

Die problematische axiale Mode bei z.B. 29Hz ist im oberen Diagramm A sehr stark vertreten, die bei 86Hz und andere sind zwar zu erkennen, fallen aber schnell ab.

Wasserfalldiagramm B
Wasserfall

Hier ein Diagramm einer sehr linearen Einstellung welche die 29Hz Mode besser im Griff hat (durch den Einsatz von anderen Filtern), bei allerdings längerem Nachhall insgesamt.

Wasserfalldiagramm C
Wasserfall_Jan_13

Hier noch ein letztes Diagramm mit meinen derzeitigen elektronischen Filtereinstellung aus Januar 2013 nach der Installation von zwei weiteren Plattenresonatoren. Das Abklingverhalten ist nun auf einem guten Niveau. Der Bereich bis 50Hz könnte etwas leiser sein, aber so macht es einfach mehr Spaß ;-)

Zur Aufstellung der Subwoofer

Eine sinnvolle Aufstellung des Subwoofers und der anderen Lautsprecher ist natürlich die erste und günstigste Methode Raummoden erst gar nicht anzuregen und einer schlechten Basswiedergabe entgegen zu wirken. Meist bleiben nach dem Rücken der Lautsprecher doch noch ein paar lästige Hügel im Frequenzgang. Man kann diesen dann im wesentlichen auf zwei Wegen entgegentreten. Entweder entzieht man dem Raum die Schallenergie auf mechanischen Wege durch das Anbringen von Absorbern, oder man arbeitet auf elektronischen Wege mit digitalen Filtern. Man kann unerwünschte tieffrequente Signalanteile des Filmtons abschwächen und unterdrücken und dem Raum so weniger Schallenergie hinzufügen.

Zur Aufstellung von Subwoofern gibt es ein paar Tipps, die man zumindest einmal ausprobiert haben sollte bevor man mehr Geld in sein System investiert. Es hat sich als akustisch vorteilhaft erwiesen, den Subwoofer auf ca. 1/4 der Länge sowie auf 1/4 der Breite des Raumes zu platzieren, damit die entsprechende Raummoden möglichst gleichmäßig angeregt werden. Dies gilt allerdings nur für Räume, die quaderförmig sind. Genaueres ist hier zu finden: Link

Um schnell und einfach herauszufinden, ob ein Subwoofer an einer bestimmten Stelle im Raum gut klingen wird, ohne den Lautsprecher ständig hin und her zu rücken, kann man ihn auch am Hörplatz aufstellen und selbst an die ausgewählten Orte kriechen und hören ob es gefällt.

Ich habe gute Ergebnisse erzielen können indem ich die Subwoofer auf Betonplatten gestellt habe. So werden weniger Vibrationen  an den Fußboden weitergegeben, der bei mir aus einer Holzkonstruktion auf einer Betondecke besteht. Zudem kommt der Lautsprecher noch etwas vom Boden weg, was in Bezug auf die vertikalen Raummoden von Vorteil ist. Hilfreich kann in diesem Zusammenhang auch der Bau eines Absorbers sein. Man baut einfach eine Holzkiste mit Hohlraum, den man später mit Quarzsand befüllt. Wenn man diesen Klotz dann auf Spikes bzw. Gummifüße stellt und den entsprechenden Lautsprecher darauf positioniert, werden auftretende Gehäusevibrationen auf den Absorber übertragen und dort in Wärmeenergie umgewandelt.  

Hier die Spezifikationen zur korrekten Aufstellung von 7.1 Systemen nach Dolby

Zur sinnvollen Aufstellung von Lautsprechern (Stereo) hier eine paar interessante Seiten: Audiophysic, Stereoplay I, Stereoplay II

Zur Einrichtung eines Hörraumes: Link

Hier ist eine sehr gute Anleitung zur Einpegelung, Einstellung und Aufstellung des Subwoofers zu finden: Bass-Test CD

Wer an dieser Stelle die Beschreibung zum Einsatz eines Double Bass Arrays vermisst, dem möchte ich folgende Lektüre empfehlen: DBA

 

Elektronische Filter

Ein anderer Weg zur Bekämpfung einer schlechten Raumakustik ist der Einsatz von elektronischen Filtern durch so genannte DSPs (Digitale Signalprozessoren). Durch aktive Weichen lassen sich Hoch- und Tiefpassfilter sowie parametrische Equalizer setzen, die in ihrer Flankensteilheit bzw. Güte und Pegel anzupassen sind und dadurch für einen "glatteren" Frequenzverlauf sorgen. 

Die DSPs sind in der Massenherstellung bei Surround-Receivern und Subwoofern noch nicht lange im Einsatz. Früher musste man sich zur elektronischen Veränderung des Signals noch vorwiegend bei den PA-Herstellern bedienen, wo dies gang und gäbe ist und Live -Aufführungen ohne den Einsatz solcher Prozessoren nicht möglich wären. Zunehmend erkannten die Massenhersteller den Wunsch der Kunden auf diesem Weg auch zu Hause einen guten und homogenen Klang der Surround - Anlage zu verwirklichen.

"Auto Setup" und "Auto Room Equalizer" nannte Denon seinen raumakustischen DSP (damals ein Sharc der 3. Generation), mit dem durch das beigefügte Mikrophon die Raumakustik verbessert werden sollte, die Abstände der Lautsprecher zum Hörplatz ermittelt werden  und korrekt eingepegelt werden sollte. Letzteres klappte recht gut, jedoch eine Verbesserung der Raumakustik sollte sich nicht wirklich einstellen. Die meisten Nutzer empfanden es als ein "nice to have", wirklich anwenden wollten es jedoch nur die Wenigsten. Auch in meinem Hörraum stellte sich keine Verbesserung ein, es klang einfach nur anders, nicht harmonisch und schlechter als ohne EQ. Das lag wohl in erster Linie an den lediglich 8 parametrischen Equalizern, die sich, wenn sie manuell eingesetzt wurden, auf feste Frequenzbänder beschränkten und in ihrer Güte nicht zu verstellen waren (grafischer Equalizer). Besonders beim Einsatz von Equalizern im Bassbereich reichen EQs bei z.B. 63 Hz und 125Hz  nicht aus, um Raummoden erfolgreich Einhalt zu gebieten.

Ich nutzte also den DSP meines Subwoofermoduls, dem Sitronik VP 500D, um den Frequenzgang zu glätten. Die Endstufe bietet eine digitale Aktivweiche (Motorola DSP 56364PU100), welche u.a. die Phase, Tief- und Hochpass und 3 parametrische Equalizer stufenlos von 20-200Hz inkl. der Filtergüten von 0,5 bis 5 bei Pegeln zwischen -6 und + 6dB einstellen kann. Bei Bedarf lässt sich das Signal noch bis zu 650cm in der Zeit verzögern, um es besser an andere Subwoofer bzw. die Hauptlautsprecher anzupassen. Obwohl nur 3 EQs für den Frequenzbereich zur Verfügung stehen, lassen sich damit schon viele wesentlichen Probleme beheben.

Dazu bietet der Onkyo TX-NR 905 in den Lautsprechereinstellungen noch eigene Filtermöglichkeiten, die man beispielsweise auf die Mains und den Subwoofer anwenden kann. Auch wenn sich die Güte der Korrekturen nicht verstellen lässt und die Frequenzen vorgegeben sind, so hat man doch einen effektiven Zugriff auf den Frequenzgang des Tieftons.

Zum Einsatz von Audyssey muss ich sagen, dass mich dieses Programm zuerst schwer begeistert hat. Nach der Durchführung der Messung klang das Setup einfach spektakulärer als zuvor. Nach ausgiebigen Messungen jedoch fiel auf, dass Audyssey so einige "Fehler" einbaut, wie z.B. ein zu lauter Bass. Irgendwie passte alles nicht mehr so richtig zusammen und ich habe mich schließlich mit meinem Equipment selbst aufgemacht und alle Filter "zu Fuß" eingestellt und abgestimmt. Es nimmt halt eine Menge Zeit in Anspruch einen akzeptablen Frequenzgang hinzubekommen.

 

 

Die raumakustische Gestaltung

des Rear-Bereichs:

 

Die Aufgaben der Surroundlautsprecher im Rear-Bereich sind die Darstellung von räumlichen Schallinformationen und von direktionalen Effekten, auch im Zusammenspiel mit den Frontlautsprechern. Möchte man diesen beiden Aufgaben bei der raumakustischen Gestaltung seines Heimkinos gerecht werden, sollten einige Hinweise bedacht werden.

Einerseits ist eine Lokalisation der Special Effects erwünscht, andererseits möchte man Umgebungsgeräusche nicht genau einem Lautsprecher zuordnen können. So sollen Effekte und Klänge der Frontlautsprecher als Hallanteile virtuell reflektieren. Hier soll der Schall nicht genau ortbar, also diffus sein. Ziel ist die Entstehen einer Art "Klangwolke", welche den Zuhörer umschließt. Der räumliche Eindruck wird dabei durch die Schallereignisse erzeugt, welche möglichst abseits der Front-Back Achse aus unterschiedlichen Richtungen und Pegeln den Hörer erreichen. Verstärkt wird der Eindruck, indem Schallsignale nicht ausschließlich direkt vom Lautsprecher kommen, sondern möglichst auch zeitverzögerte Schallanteile besitzen, welche den Eindruck von Räumlichkeit erzeugen.

Dies bedeutet für die Raumakustik, dass die hinteren Wände ausreichend reflektiv gestaltet werden und nicht zu viele Absorber zum Einsatz kommen. Der Schall kann so an den Wänden weiterhin reflektieren und auch zeitverzögert am Ohr ankommen.

Poröse Absorber an der Rückwand

Die Wand hinter den Sitzplätzen sollte hingegen mit ausreichend Absorbern ausgestattet werden. Es gilt hier Reflexionen der Front (vor allem die des Centers) zu minimieren. Ich habe dazu einen großen Kasten mit Mineralwolle gefüllt und Rahmen mit Akustikstoff bespannt. Die Mineralwolle hat eine Stärke von ca. 20cm mit einem Fensterabstand von ca. 5cm.

Absorber hinter dem Sitzplatz
Absorber_rear Absorber_rear_Rockwool

 

Diffusoren können im Heimkino im Rear-Bereich Sinn machen, wenn man beispielsweise nicht besonders viel Platz hat. Damit der Raum (durch Absorber) nicht zu trocken und dumpf klingt, aber trotzdem die ersten Reflexionen abgeschwächt werden, könnten Wände auf Höhe der Rearlautsprecher mit Diffusoren ausgestattet werden. Die Hallanteile blieben erhalten, der Rearbereich behielte seine Lebendigkeit, aber erste und zeitnahe Reflexionen zum Hörer würden unterdrückt.

Zur Aufstellung der Surround-Lautsprecher (5.1 und 7.1):


Die Platzierung der Surrounds über Ohrhöhe, auch leicht angewinkelt, macht Sinn. Hängt man Direktstrahler über Ohrhöhe, reflektiert der Schall an den (möglichst auch vorhandenen) schallharten Wänden und kommt dann zeitverzögert und z.T. aus anderer Richtung zum Ohr. Dies erhöht die Diffusität und damit das Raumgefühl. Es sollte bedacht werden, dass sich häufig mehrere Zuschauer im Raum befinden, die i.d.R. nebeneinander sitzen. Mit der Anordnung über Ohrhöhe ermöglicht man allen Zuschauern ein besseres Surrounderlebnis (vor allem bei 7.1 Beschallung).

 

Literatur:

Floyd E. Toole - Sound Reproduction - Focal Press, 2008

F. Alton Everest & Ken Pohlmann - Master Handbook of Acoustics - McGraw Hill, 2009

Andreas Friesecke - Studio Akustik - PPV Medien, 2009