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Eine kurze Einführung in die Raumakustik

Die Raumakustik behandelt die Effekte der Schallausbreitung in einem Raum (die Bauakustik dagegen die Luft- und Körperschallausbreitung bzw. -Dämmung zwischen Räumen.)  Ihr Ziel ist die Optimierung der Hörverhältnisse, vor allem des Raumeindrucks, der Klarheit, der Sprachverständlichkeit, der Ausgewogenheit von Klangfarbe und Lautstärke, oft einfach „Akustik“ genannt.

Man unterscheidet die wellentheoretische (das ist die eigentliche exakte) und die geometrisch-statistische Raumakustik, die praktisch fast ausschließlich angewandt wird. Ihre (bei großen Räumen praktisch fast immer gegebene) Voraussetzung ist, dass typische Raumabmessungen groß gegen die mittlere Wellenlänge sind, und dass daher (wie in nebenstehendem und den folgenden Bildern anschaulich gezeigt) Schall-Strahlen oder –Teilchen statt Wellen betrachtet werden können, die von punktförmigen Quellen ausgesandt, an den Wänden des Raumes reflektiert werden und deren Energien sich am Empfangspunkt addieren.


Physikalische Zielgrößen (gemessen oder berechnet) sind die orts- und zeitabhängigen Schallenergien in einem Raum. An einem Hörerort kommen so neben dem (zuerst ankommenden) Direktschall - mit unterschiedlichen Umwegen und damit Zeitverzögerungen - zahlreiche Reflexionen mit unterschiedlichen Schallenergien an. Deren Darstellung über der Zeit nennt man das Echogramm (s. Bild oben). Im statistischen Mittel klingen diese unendlich vielen Reflexionen exponentiell ab. Diesen Haupteffekt nennt man Nachhall, die charakterische Zeit (Abklingen um 60dB bzw. auf ein Millionstel der Anfangsenergie) nennt man die Nachhallzeit. („Echos“ sind dabei strenggenommen nur die heraushörbaren, starken Reflexionen – die zu vermeiden sind. ) 

Was ist "gute Akustik" ?
Nach übereinstimmenden Ergebnissen psychoakustischer Forschung können die (nur scheinbar so subjektiven) Höreindrücke ("die Akustik") praktisch durch einige wenige raumakustische Parameter objektiv beschrieben werden, die fast alle aus Energieverhältnissen in den Echogrammen berechnet werden können:

  • zuerst die Nachhallzeit (ausgewertet aus dem exponentiellen Abklingen)
  • daneben die "Deutlichkeit" oder damit zusammenhängend,  die "Sprachverständlichkeit", oder (bei Musik) die  "Klarheit" (definiert als die Relativanteile der Schallenergie die bis zu 50 bzw. 80 ms Zeitverzögerung beim Hörer eintreffen),
  • das "Raumeindrucksmaß", das das besonders bei Musikdarbietungen wichtige "Umhülltseinsgefüh" beschreibt, damit  zusammenhängend der "Seitenschallgrad" (das ist der Relativanteil nach gewisser Bewertung seitlich eintreffender das Schallenergie) und
  • die "Klangfarbe" (d.h. die Verteilung der  Schallenergie auf verschiedene Frequenzbänder.)

Soll-Nachhall-Zeiten

Diese Parameter, klar definiert als bestimmte Energieverhältnisse der Raumimpulsantwort, lassen sich mit verschiedenen Simulationsmethoden vorausberechnen. Für sie alle gibt es gewisse Sollwertebereiche, die hauptsächlich von der Nutzung des Auditoriums abhängen, vor allem, ob Sprach- oder Musiknutzung. So gilt etwa als Faustregel für den wichtigsten Parameter, die Nachhallzeit (für mittlere Frequenzen): 
  -  1 Sekunde für Sprache,
  -  2 Sekunden für Musik.
s. Grafik "Sollnachhallzeiten". Näheres sowie weitere Parameter s. Literatur zu Vorlesungen (Fasold) und Veröffentlngn. & Referenzen (Nr.35)

Die Berechnung der Nachhallzeit
ist - angesichts des eigentlich höchst komplizierten Schallfeldes - erstaunlich einfach, allerdings nur unter einer weiteren Annahme: der des "diffusen Schallfeldes". Damit ist gemeint: An allen Orten im Raum kommt Schall aus jeder Richtung mit gleicher Intensität bzw. Wahrscheinlichkeit an, ein Idealfall, der theoretisch nie, praktisch aber oft weitgehend erreicht wird. Günstige Voraussetzung dafür ist vor allem, dass die Raumoberfläche überall "rau", d.h. reliefartig substrukturiert ist, damit den Schall optimal streut. Die Nachhallzeit T lässt sich dann (wie statistisch herleitbar ist) mit der berühmten

Sabine´schen  Formel  T=0.161 V /A  (V in m³, A in m², T in s )  

berechnen. Sie ist demnach proportional dem Raumvolumen V und umgekehrt proportional der äquivalenten Absorptionsfläche A. Jene ist die Summe aus den Produkten Fläche mal Absorptionsgrad (100m² zu 50% absorbierende Fläche zählen z.B. als 50m² äquivalente Absorptionsfläche). Da die Absorptionsgrade verschiedener Arten von Raumoberflächen (z.B. glatte oder perforierte Platten, mit oder ohne Luftraum dahinter, poröse Flächen wie Putz, Vorhänge, Polstersitze, Publikum…) frequenzabhängig sind, ist auch die Nachhallzeit frequenzabhängig. Eine Optimierung der Nachhallzeiten erfolgt also durch Optimierung der Absorptionsflächen für alle Frequenzen (s. Methodik raumakustischer Optimierung) . Sie ist Voraussetzung für jede Optimierung der weiteren raumakustischen Parameter. In einfachen Fällen geht das “zu Fuß”, d.h. ungefähr, nach Erfahrungsregeln. Im Allgemeinen kann diese Feinarbeit jedoch nur durch eine raumakustische Simulation erfolgen.


Literatur

Taschenbuch Akustik, Hrsg. Fasold, W.;et.al.; VEB Verlag Technik Berlin, 1984 (immer noch sehr gutes Nachschlagwerk)

Fasold, W.; Veres, E.; Schallschutz und Raumakustik in der Praxis
Verlag für Bauwesen, Berlin, 1998
Praxisorientiertes Nachschlagwerk über Formeln, Methoden, Daten in Bau- und Raumakustik, aktualisiert auf der Grundlage des berühmten Buches von Fasold et al. „Bau- und Raumakustik“, Berlin 1987, besonders ausführliche Angaben zur Raumakustik, zu raumakustischen Zielgrössen, Projektierungsmethoden Modellmesstechnik und zum Design berühmter ostdeutscher Auditorien sowie neuere Säle (z.B. ehemaliger Plenarsaal des Deutschen Bundestages in Bonn)

Cremer,L; Müller,H.A.; Die wissenschaftlichen Grundlagen der Raumakustik, Bd. 1: Geometrische, statistische und pychologische Raumakustik; Hirzel-Verlag, Stuttgart, 2.Aufl. 1978
Umfassendes, immer noch weitgehend aktuelles Buch, sowohl theoretisch als auch praktisch,  z.T. anspruchsvoll, jedoch weitgehend allgemeinverständlich, kein Nachschlagwerk zu Absorbern oder existierenden Räumen

Kuttruff, H.; Roomacoustics; Elsevier Science Publishers, Barking, 4. Auflage, 2001; Grundlagen der Raumakustik,  insbesondere  Nachhalltheorien, anspruchsvoll -wissenschaftlich, überwiegend theoretisch, auch zur Messtechnik, Simulationstechnik und Elektroakustik

Beranek: Concert &Opera halls- how they sound
; published for the Acoustical Society of America through the American Institute of Physics, 1996
Eine "Goldmine" der Information über architektonisches Design und raumakustische Eigenschaften von 76 Konzert- und Opernhäusern aus 22 Ländern der Welt, darunter 21 amerikanischen, 9 deutschen; dabei gleichartige Beschreibung, gleiche Masstäbe der Abbildungen; im knappen wissenschaftlichen Teil Beschreibung auch neuerer raumakustischer Zielgrössen, Ergebnisse von Interviews mit Musikern und Musikkritikern, Gesamtbewertung und Rangfolge

Barron, Michael; Auditorium Acoustics and Architectural Design; 
published by E&FN Spon, an imprint of Chapman&Hall, London,1993
Eine systematische Darstellung zahlreicher internationaler Auditorien, mit Schwerpunkt auf britischen; fast allgemeinverständlich, unter weitestgehendem Verzicht auf mathematische Beschreibung; hervorragender allgemeiner Teil zu den Grundlagen der Raumakustik, sehr ausführlich zu den raumakustischen Parametern und zu den Entwurfsmethoden, klassifiziert nach Raumtypen

Meyer, Kürgen; Kirchenakustik, Verlag Bochinsky, Frankfurt/M.; 2003
sicher bald ein "Klassiker" eines erfahrenen Akustikers: Inhalt u.a:
historische Kirchen /techn.Möglichkeiten ihrer Verbesserung, Neubauten, Orgel und Raum, musikalische Aufführungspraxis

Brüderlin, René; Akustik für Musiker; Bosse Verlag, Kassel, 7. Aufl. 2003; sehr anschaulich, unter Verzicht auf Mathematik, trotzdem exakt, Schwerpunkte Raumakustik und Musikinstrumentenakustik, Tonsysteme, dennoch auch gut für Architekten geeignet

© 2006 Uwe M. Stephenson