Frequenzgang, Impulsantwort, Phase usw. verstehen
Anleitung zur DurchfĂŒhrung der Messung
YouTube.com: 1. Room Acoustics Meter: Intro + Messung
Voraussetzung der folgenden Abschnitte ist, dass die Daten von einer korrekt ausgefĂŒhrten Messung stammen. Vor Beginn der Messung sollten wiederum die elementaren Regeln zur Aufstellung von Lautsprechern berĂŒcksichtigt worden sein.
Hifi-Apps fĂŒhren schrittweise durch die Messung. Entscheidbar ist, mit wie vielen Mikrofonpositionen gemessen werden soll. In einem durchschnittlichen Wohnzimmer, bei dem die HörplĂ€tzen nicht mehr als 2 m auseinander liegen, geben zwei oder drei Messungen oft schon einen Ăberblick, welche MaĂnahmen sinnvoll sind. Das Mikrofon sollte sich dort befinden, wo sonst die Ohren der Hörer sind.
Was wird durch mehr Messungen besser?
Wenn möglich, sollten mehrere Aufstellungen der Lautsprecher und Hörpositionen vergleichen werden. Pro Aufstellung sollten wieder mindestens 2 bis 3 Messungen erfolgen. Manchmal entstehen schon durch Ănderungen im Bereich von 50 cm deutliche Verbesserungen.
Ein besserer, aber auch aufwĂ€ndigerer Weg ist eine sog. Schallfeldmessung: Statt innerhalb einer Messung ĂŒber benachbarte Frequenzen runden (GlĂ€ttung) werden mehrere (ĂŒber 10) Messungen in einem Bereich von vielleicht 50 cm gemacht und die (weniger stark gerundeten) FrequenzgĂ€nge gemeinsam interpretiert. Das Ergebnis wird die Ergebnisse anderer Messungen sicher nicht umwerfen, liefert aber zusĂ€tzliche PrĂ€zision fĂŒr den Feinabgleich eines Soundprozessors oder Equalizers.
Mehr Mikrofonpositionen prĂ€zisieren naturgemÀà das Ergebnis, wenn es sich um weitere HörplĂ€tze handelt. FĂŒr die Wertung des Hörerlebnisses wird im Allgemeinen nur an (potenziellen) HörplĂ€tzen gemessen. Messungen an anderen Mikrofonpositionen haben einen indirekten Nutzen: Bei mehr Interesse kann auch eine komplette Matrix des Raums, z.B. in Ohrhöhe mit 1x1 m Rasterung, aufgenommen werden. Auf diese Weise erhĂ€lt man ein tieferes VerstĂ€ndnis ĂŒber das gesamte Wellenfeld im Raum und kann DĂ€mmmaĂnahmen und die Positionierung von Schallquellen und HörplĂ€tzen gezielt planen.
Hifi-Apps sind so geschrieben, dass mit wenig Aufwand auch sehr viele Messungen gemacht werden können: Zwischenspeichern und die Bestimmung der Mikrofonposition sind automatisiert. Die Android-GerÀte können leicht im Raum umhergetragen werden, da die externe Stromversorgung ebenso wie das externe Audio-Interface entfÀllt.
Beim Start der App erscheint der Hinweis, das Android GerĂ€t möglichst ĂŒber Kabel mit dem Wiedergabesystem zu verbinden. Praktische Erfahrungen fĂŒr verschiedene Verbindungstypen:
- Bluetooth: Man darf nicht alle Protokolle und -GerĂ€te ĂŒber einen Kamm scheren. Es kommt aber vor, dass Frequenzen ab ca. 4 kHz bei der Messung verloren gehen. Dann bitte nicht der "... kann man ja eigentlich trotzdem noch benutzen" Versuchung nachgeben.
- Klinkenstecker: Funktioniert gut, allerdings werden bei manchen GerÀten sehr hohe und sehr tiefe Frequenzen weggefiltert, siehe hier. Der Tiefbassbereich unter 40 Hz kann dadurch verfÀlscht werden, die Anpassung von Subwoofern funktioniert in der Praxis aber problemlos.
- USB: Die beste Lösung. Bei USB C kann (je nach GerĂ€t) auch das analoge Kopfhörersignal ĂŒber diesen Stecker ausgegeben werden. Wo der D/A Wandler sitzt, ist also konfigurationsabhĂ€ngig, die Messergebnisse hĂ€ngen aber nicht signifikant vom verwendeten Wandler ab. Vorsicht: Manche GerĂ€te schalten nicht zuverlĂ€ssig auf die externe Quelle um. Zu Beginn der Messung wird ein Mikrofon Test zusammen mit der Möglichkeit Input und Output explizit festzulegen angeboten. Wenn ein Messmikrofon verwendet wird, sollte dieser Schritt nicht ĂŒbersprungen werden! Die Anzeige sollte deutlich ausschlagen, wenn man mit dem Finger auf den Korb des Mikrofons tippt. Andernfalls ist möglicherweise noch das interne Mikrofon in Betrieb.
Anfangs kann auch ohne Messmikrofon gearbeitet werden, mehr dazu hier. Diese EinfĂŒhrung geht davon aus, dass die Messung mit einem Mikrofon mit Kugelcharakteristik erfolgte. Das ist hat sich etabliert, weil verschiedene Messungen andernfalls kaum vergleichbar wĂ€ren. FĂŒr Interessierte spricht natĂŒrlich nichts dagegen, trotzdem z.B. mit sog. 3D-Messverfahren zu experimentieren [Protheroe 2013]: FĂŒr die App spielt es keine Rolle, woher die Daten kommen. GrundsĂ€tzlich ist Richtungsinformation in der Praxis natĂŒrlich nĂŒtzlich: Die Suche störender Reflexionen kann und sollte durch Klatschen und (Richtungs-)Hören (siehe unten) unterstĂŒtzt werden.
In den folgenden Schritten fĂŒhrt die App dialogbasiert bis zum Start der Messung. Der verwendete Farina-Algorithmus ist relativ unempfindlich gegen UmgebungsgerĂ€usche wĂ€hrend der Messung. Er wird in der Praxis sogar kurz vor Konzertbeginn mit wartendem Publikum eingesetzt. Trotzdem ist es eine gute Idee, ggf. laut mit klappernde GegenstĂ€nde bei dieser Gelegenheit unter Kontrolle zu bringen und die Messung zu wiederholen.
Die Messung muss bei moderater LautstÀrke erfolgen: Das Messsignal belastet Ohren und Lautsprecher erheblich mehr als Musik der gleichen LautstÀrke. Manche professionelle Akustiker tragen grundsÀtzliche bei jeder Messung einen Gehörschutz.
Setup Einstellungen (fĂŒr Fortgeschrittene)
Im Setup MenĂŒ kann die Dauer des Logsweeps und dessen Grenzfrequenzen eingestellt werden. Da der Sweep aus technischen GrĂŒnden langsam ein- und ausgeblendet wird (Blackman windowing 0.05 s leadin, 0.005 s leadout), ist der spĂ€ter verwendbare Frequenzbereich etwas schmaler. 20 Hz als Start sind ausreichend, um Resonanzen in RĂ€umen bis 8 m LĂ€nge zu finden. Die obere Grenzfrequenz hilft bei verschiedenen LĂ€ngenmessungen aus der Schall Laufzeit, 20 kHz sind in der Praxis bewĂ€hrt. Ob der Lautsprecher laut Hersteller einen gröĂeren Frequenzbereich abdeckt, spielt fĂŒr den wichtigen Teil der Messwerte keine Rolle.
Die Dauer bestimmt die PrĂ€zision der Messung. Sie sollte so lang sein, dass störende Raumresonanzen die Chance haben sich aufzuschwingen und damit in den Ergebnissen gefunden werden können. Um eine Raumresonanz anzuregen, muss der Sweep lange genug in ihrem Frequenzbereich sein. Ein guter Anfang sind 2 Sekunden. Beispiel fĂŒr Techniker: FĂŒr eine Raummode mit 300 ms rise time und 1/3 Oktave Bandbreite vs. 10 Oktaven fĂŒr den Sweep erhĂ€lt man 300 ms * 1/(1/3) * 10 â 10 Sekunden. Das ist der höchste einstellbare Wert. Wer bewusst kurze Sweeps einsetzt, um mit der einhergehenden schlechten Auflösung optisch schön gerade FrequenzgĂ€nge zu erzeugen, sollte sich wohl besser nach einem anderen TĂ€tigkeitsfeld umsehen.
Im Setup MenĂŒ kann die Samplerate eingestellt werden. Die angebotenen Werte erhĂ€lt die App vom Android System des GerĂ€tes, ebenso die Information "nativ" fĂŒr einen bestimmten Wert, meist 48.000 pro Sekunde. Von diesem Wert sollte ohne konkrete GrĂŒnde (siehe unten im Abschnitt "Impulsantwort") nicht abgewichen werden. Hohe Werte ("viel hilft viel") sind nicht per se hilfreich.
Auswertung des Frequenzgangs
YouTube.com: 2. Room Acoustics Meter: Frequenzgang
Mit "Frequenzgang", auch FR (Frequency Response) und SPL (Sound Pressure Level) ist hier der Summenfrequenzgang gemeint, d.h. der Schalldruck, mit dem eine bestimmte Frequenz irgendwann einmal beim Mikrofon ankommt, nachdem sie in das System eingespeist wurde. Somit sind sowohl direkt vom Lautsprecher ausgesendeter Schall als auch Reflexionen an den WĂ€nden usw. enthalten. Um die Raumeigenschaften zu ĂŒberblicken ist das ein guter Start.
Nebengedanken zum Summenfrequenzgang und Target Curve
Der Anblick des Summenfrequenzgangs ist anfangs ungewohnt: Verglichen mit den Lautsprechermessungen des Herstellers entstehen durch die Raumeigenschaften viel gröĂere Schwankungen. Herstellerseitige Lautsprechermessungen zeigen i.d.R. ausschlieĂlich den Direktschall - der Raum des Benutzers ist zum Zeitpunkt der Messung schlieĂlich noch nicht bekannt. Die Messung wird manchmal wirklich im Freien durchgefĂŒhrt. Der Summenfrequenzgang in einem Hörraum hat mit den Eigenschaften des Lautsprechers kaum etwas zu tun. Beide FrequenzgĂ€nge haben ihre Berechtigung und spiegeln sich im Höreindruck: Ein ausgewogenes Verhalten im Direktschall kann als Grundvoraussetzung gesehen werden, Ă€hnlich wie die Lichtquelle in einem Projektor weiĂes Licht liefern muss. In Hintergrundwissen ist beschrieben, welche klanglichen Eigenschaften bei welchen Eigenschaften des Raums zu erwarten sind. Unser Hörsinn ist offenbar imstande, den ersten Direktschall vom Lautsprecher und die Reflexionen so zu trennen, dass nicht alle diese Schwankungen wichtig sind.Der Summenfrequenzgang sollte an einer Zielkurve orientiert werden, die zu höheren Frequenzen einige dB abfĂ€llt [MĂžller 1974], [Toole 2015], [Websuche "Target Curve spl" oder "Frequenzgang Zielkurven" bzw. "Hauskurven"]. Die App bietet die Möglichkeit, einige etablierte Zielkurven einzublenden.
Voraussetzung fĂŒr die Interpretation sind korrekt durchgefĂŒhrte Messungen (s.o.). Die Ergebnisse sollten den hier abgebildeten Kurven Ă€hneln.
Linke Spalte - (fast) AllgemeingĂŒltiges: FĂŒr eine Intuition, wo die Daten herkommen und welche Genauigkeit zu erwarten ist, schadet es sicher nicht, anfangs ein paar ungefilterte FrequenzgĂ€nge anzusehen. SpĂ€ter kann dieser Schritt ĂŒbersprungen werden. Die extremen Schwankungen ab ca. 300 kHz entstehen durch Reflexionen. Bei Freiluftmessungen und im Nahfeld des Lautsprechers sind sie sehr abgeschwĂ€cht oder gar nicht zu sehen. Die StĂ€rke dieses Kammfiltereffektes lĂ€sst die jeweilige Unsicherheit in den Ergebnissen erahnen: Es ist strittig, inwieweit sich der Hörsinn an den Spitzen oder an den Durchschnittswerten orientiert. Bei groĂen Schwankungen kann ein Höhenabfall nach der Mittelwertbildung also eine Folge der Rundungsmethode und fĂŒr den Höreindruck vollkommen bedeutungslos sein. Bei den Beispielmessungen weiter unten sind diese Rohdaten deshalb ebenfalls angefĂŒgt.
"1/... Oktav GlĂ€ttung" Spalten - (fast) AllgemeingĂŒltiges:
Vergleicht man (in den unteren Diagrammen) zunÀchst die verschiedenen Messungen (jeweils eines Stereo-Kanals), dann sieht man, dass die Werte bei ca. 300-400 Hz (also WellenlÀngen
von 1 m) auseinanderlaufen. Das ist plausibel, weil bei stehenden Wellen Maximum und Knoten 1/4 der WellenlÀnge auseinanderliegen, also in dem Bereich, in dem das Mikrofon
bewegt wurde. Die Unsicherheiten liegen bei ungefÀhr 5 dB.
Zwischen eng (âȘ 1/3 Oktave) benachbarten Frequenzen innerhalb jeder
einzelnen Messung treten ebenfalls Schwankungen von ungefÀhr 5 dB auf. Offenbar sind ab ca. 300 Hz die wellenlÀngenabhÀngigen VerstÀrkungen und Auslöschungen
durch kleine Ănderungen der Mikrofonposition sehr vergleichbar mit denen durch kleine Ănderungen der Frequenz.
Im Bereich unterhalb von 300 Hz Àhneln sich die Messungen stÀrker. Die einzelnen Messkurven schwanken an einigen Stellen aber stÀrker.
Ob das durch Reflexionen oder Raummoden verursacht wird, kann man im Summenfrequenzgang nicht immer erkennen.
Diese Effekte treten bei praktisch allen SummenfrequenzgĂ€ngen normaler WohnrĂ€ume auf. Bei einem höheren Direktschallanteil (s.u.) kann die Schwankungsbreite unter 5 dB fallen, was wĂŒnschenswert ist. Bei gĂŒnstig aufgestellten (und angesteuerten) Subwoofern oder weniger Reflexionen durch einen geeigneteren Grundriss sollten die Peaks im Bereich unter 300 Hz deutlich moderater sein. Der zusĂ€tzliche Aufwand fĂŒr Schallfeldmessungen, d.h. ĂŒber viele eng benachbarte Mikrofonpositionen zu mitteln, lohnt sich nur in seltenen FĂ€llen. Die Mittelwertbildung ĂŒber benachbarte Frequenzen fĂŒhrt im oberen Frequenzbereich zu sehr Ă€hnlichen Ergebnissen, im unteren Frequenzbereich Ă€hneln sich die Messungen sowieso. Manche Tontechniker verwenden diese Methode beispielsweise nur fĂŒr ein endgĂŒltiges letztes Einstellen der Klangkorrektur fĂŒr einen bestimmten Hörplatz.
Qualitativ generalisierbar: Sowohl die 5-dB-Schwankungen benachbarter Frequenzen als auch die wesentlich stĂ€rker ausgeprĂ€gten Raummoden oder Reflexionen im Bassbereich zeigen, dass der Raum akustisch noch "einige Luft nach oben" hat, aber nicht "katastrophal" ist. Wie bei vielen Wellenbildern in der Natur zĂ€hlt das Gesamtbild, die einzelnen Schwankungen haben kaum Bedeutung, solange sie gleichmĂ€Ăig verteilt sind. GrundsĂ€tzlich ist nicht jede Reflexion schlecht. Der ĂŒber 1/3-Oktave geglĂ€ttete Frequenzgang sollte aber auf jeden Fall Schwankungen unter 10 oder maximal 15 dB haben. Wenn sie gleichmĂ€Ăig verteilt sind, sind sie weniger problematisch. Setups, bei denen wenige Frequenzen sehr prominent hervorstechen, sollten einem Hörtest unterzogen werden. Positionierungen von Lautsprechern, HörplĂ€tzen und DĂ€mmung mit ausgewogenem Verlauf werden wahrscheinlich besser klingen.
- Der Peak bei 35 Hz deutet auf eine Raummmode hin. Obwohl die Lautsprecher in diesem Bereich an Ihre Grenze kommen, ist er deutlich ausgeprĂ€gt. MaĂnahmen: Daraus ist schon zu ahnen, dass der Einsatz eines einzelnen Subwoofers wahrscheinlich sinnlos ist. Die 35-Hz Mode wird zusammen mit den Peaks knapp unter 100 Hz das Klangbild unertrĂ€glich dominieren und beim Versuch, das durch geschickte Aufstellungen zu verhindern, wird sicherlich irgendeine andere Raummode angespielt. (GegenwĂ€rtig sind deshalb 4 Subwoofer im Einsatz, die ĂŒber einen Soundprozessor angesteuert werden).
- Ein weiterer Grund kann ein Subwoofer der unteren Preisklasse sein: Dessen Resonanzen wurden möglicherweise stark und entsprechend schmalbandig ausgelegt - mit dem Ziel möglichst viel Krach pro Geld zu produzieren.
- Der schmale Peak bei knapp 70 Hz im linken Kanal und der breitere Peak bei 80-100 Hz im rechten Kanal sind als brummiger, matschiger Bass hörbar. 1/4 der WellenlĂ€nge ist hier ungefĂ€hr 1 m. MaĂnahmen: Verschiebungen von Lautsprechern oder HörplĂ€tzen um 0,5...1 m können vielleicht eine gewisse Abhilfe schaffen. Im Gegensatz zum "Subwoofer-Bereich", wo DĂ€mmung durch zusĂ€tzliche geschickt angesteuerte Lautsprecher ersetzt werden kann, wĂ€re hier eigentlich DĂ€mmung erforderlich. Allerdings ist fĂŒr diesen Frequenzbereich der Materialaufwand recht hoch. Wenn der Effekt bei allen HörplĂ€tzen Ă€hnlich ist, könnte ein Equalizer ausprobiert werden.
- Die Betonung des Bereiches bis 300 Hz erzeugt ein Hörerlebnis, "als ob eine Decke drĂŒber liegt". Erst dicht vor dem SĂ€ttigungspegel "öffnen sich die Lautsprecher und werden Live-artig". MaĂnahmen: Wie der vorige Punkt spricht das fĂŒr ein moderates elektronisches Absenken dieses Bereiches.
- Die Absenkung der Höhen ab 1500 Hz kann auch an der Messung oder Rundungsmethode (s.o.) liegen. Die Werte können sich stark Ă€ndern, wenn die Hochtöner auf das Mikrofon ausgerichtet sind, oder der Abstand zwischen Lautsprecher und Mikrofon kleiner ist. Je nach Zielkurve, Raumeigenschaften und persönlichen Erfahrungen im Umgang mit dem Messequipment sollte sie nicht blind korrigiert werden. WĂŒrde man den Pegel hier um 15 dB erhöhen, ergĂ€be sich (kurz, bis die BĂ€ndchenhochtöner durchbrennen) ein furchtbares Klangbild.
-
Bodenreflexionen (Floor Bounce) sind hier nicht erkennbar, können aber weiter unten in den Beispielmessungen gefunden werden.
Sie können das Hörempfinden deutlich stören. Zeigt der Frequenzgang einen
m-förmigen Verlauf, kann wie folgt ĂŒberprĂŒft werden, ob eine Reflexion der Grund ist.
- Ăffnen Sie mit SET das Overlay
- Schalten Sie REFLECTION auf ON.
- Benutzen Sie die 3 Slider ⣠â â um die berechnete Reflexionskurve ĂŒber den Messewerten zu positionieren.
Nur wenn das möglich ist, handelt es sich um eine Reflexion. FĂŒr Techniker: Andernfalls haben die jeweiligen Frequenzmaxima kein ganzzahliges VerhĂ€ltnis von WellenlĂ€nge zu Umweg. Details und MaĂnahmen. - Schwankungen nach unten im Bassbereich bis ca. 150 Hz sind wahrscheinlich auf sich gegenseitig auslöschende Wellen zurĂŒckzufĂŒhren. GrundsĂ€tzlich fallen fehlende Frequenzen im Hörerlebnis erheblich weniger auf als Anhebungen. Zumindest so lange, wie das System nicht zum Abmischen eigener Produktionen benutzt wird und diese dann ĂŒberkompensiert werden. Versuche, sie durch Verschieben der Lautsprecher zu beseitigen erzeugt meist neue Schwankungen. Es lohnt sich aber durchaus, mehrere Messungen zu vergleichen und "das kleinste Ăbel" zu finden.
- Die Beurteilung des gesamten 1-Oktav-geglĂ€tteter Verlaufs setzt voraus, dass a) das Mikrofon geeicht wurde. Ab ca. 5 kHz sollte zumindest etwas Erfahrung mit verschiedenen Anordnungen von Mikrofon zu Hochtöner gesammelt worden sein. MaĂnahmen: Der Frequenzgang kann mit den verschiedenen Zielkurven (s.o.) verglichen und eine Hauskurve ausgesucht werden.
- UnabhĂ€ngig vom vorigen Punkt kann der gesamten 1-Oktav-geglĂ€tteter Verlauf verwendet werden, um Tendenzen zu vergleichen - z.B. ob verschiedene KanĂ€le (Rechts Links, Surround) signifikante Unterschiede aufweisen. Das funktioniert auch ohne geeichtes Mikrofon. Ein Mikrofon mit Richtcharakteristik darf dabei natĂŒrlich keinen Lautsprecher bevorzugen. Wie oben beschrieben, haben die gemessenen Werte haben mit dem Frequenzgang des Lautsprechers nichts zu tun.
Die breiteren Anhebungen und Absenkungen im Frequenzgang kann man bestimmten Klangcharakteren zuordnen. Das kann zum VerstĂ€ndnis eines Hörtests beitragen. Wenn keine NeutralitĂ€t angestrebt wird, kann es in die KorrekturmaĂnahmen einflieĂen. Suchmaschinenanfragen "Klangcharakter vs. Frequenzgang" liefern interessante Erkenntnisse, von denen einige aus der persönlichen Sicht des Autors nachvollziehbare hier zusammengefasst sind:
Alle Frequenzen in Hz | 20-40 | 40-200 | 200-500 | 500-2k | 2k-6k | 6k-12k | 12k-20k |
Wichtig fĂŒr | SpĂŒrbare Vibrationen | 100: Beginn der tiefsten menschlichen Stimmen 150: WĂ€rme des Klangs, Körper der Stimmen | 200: Fundament der menschlichen Stimme | empfindlicher Bereich des Gehörs. FĂŒr Gitarren und Stimmen | empfindlichster Bereich des Gehörs. Deutlichkeit, NĂ€he von Stimmen. | Brillianz, Offenheit. Becken, Streicher | fĂŒr funkelnde brilliante transparente Höhen. Becken. |
Klang bei Anhebung +10 dB | Je nach Hörerfahrung und Geschmack | 40-60 dröhnend, 100: Bass matschig, "boomy", aber 60-150: anheben fĂŒr FĂŒlle im Bassbereich, fetten Sound, 125-250: "als ob eine Decke drĂŒber liegt" | 300: topfig... 600: trötig, hupig, hohl | 500-2k "altes KĂŒchenradio". 1k: nasal, dĂŒnn, 2k: dĂŒnn, harsch | 2k-6k: "Megafon-Sound". 5k: scharf, zischend | 7k: unangenehme "s" und "t" Laute, Websuche: "De-Esser" | |
Klang bei Absenkung -10 dB | Schade | 150: Bass wirkt abgetrennt | 250 Bass wirkt hohl, 450: Stimmen wirken hohl | 1k: ca. 5 dB absenken zum "Entmulmen" | 2k: Klarheit fehlt 3k: "Attack" fehlt, sĂŒĂlich, romantisiert 4k: Finesse fehlt | ||
Blauert | 300-600: vorne | 700-1800: hinten | 2,2k-6k: vorne | 8k-11k: oben | 11k-17k: hinten | ||
Die Empfindungen in den Zeilen 2â4 genĂŒgen keinem wissenschaftlichen Anspruch, sie sind sicher nicht systematisch reproduzierbar. Wenn einzelne Frequenzen angegeben sind, ist ein Bereich von 1 bis 2 Oktaven FWHM gemeint. Die letzte Zeile bezieht sich auf die sog. Blauertschen BĂ€nder: Durch Anhebung bestimmter Frequenzbereiche kann man den Höreindruck erzeugen, der Schall kĂ€me von vorn, oben, hinten oder unten [Blauert 1974, Wikipedia].
Nebengedanken zur GlÀttung
Die Frage, welche GlĂ€ttung die AussagekrĂ€ftigste wofĂŒr ist fĂŒllt viele Forenseiten. GrundsĂ€tzlich kann (bei Schallfeldmessungen - siehe oben) ĂŒber mehrere Messungen gemittelt werden, oder die Mittelung erfolgt ĂŒber den Frequenzgang, wobei es auch wieder mehrere Verfahren gibt. Vor der LektĂŒre sollte durch Umschalten (insbesondere zwischen 1/3- und 1/8-Oktav-GlĂ€ttung) eine eigene Intuition erschaffen werden, was jeweils zu sehen ist. Als Basis sollten auch die Rohdaten angesehen werden. Sowohl der durchschnittliche Schalldruck als auch der maximale Schalldruck jedes kleinen Frequenzbereichs geht in die wahrgenommene Lautheit ein.
FĂŒr den Höreindruck sind die Trends in der Ăberlagerung von direkten und reflektierten Signalen am Mikrofon bzw. Ohr wichtig. Auch in den geglĂ€tteten Daten sollten die daraus resultierenden einzelnen Peaks nicht ĂŒberinterpretiert werden: Ihre Lage Ă€ndert sich auch je nach Mikrofonstandort. AuĂerdem Ă€ndern Zuhörer ihre Sitzposition und haben ca. 14 cm Abstand zwischen den Trommelfellen. Wichtig ist, dass sich dadurch der Klang nicht zu sehr Ă€ndert. Es gibt zwei grundsĂ€tzliche Wege das zu realisieren:
- durch einen hohen Direktschallanteil. DafĂŒr gibt es in der Studiotechnik Nahfeldmonitore. Der Hörabstand ist meist unter 2 m. Je stĂ€rker der Raum gedĂ€mmt ist, desto unkritischer ist der Hörabstand. Hornlautsprecher ermöglichen ebenfalls gröĂere HörabstĂ€nde.
- durch ErgodizitĂ€t, d.h. eine gute Durchmischung, so dass möglichst alle Frequenzen zu allen Zeiten aus den richtigen Richtungen reflektiert werden. Rund- oder dipolartig abstrahlende Lautsprecher sorgen sicherlich "fĂŒr einen guten Anfang", wenn eine solche Schallverteilung bevorzugt ist.
Selten erwÀhnt wird die Kanalgleichheit. Sie hat mindestens die gleiche PrioritÀt wie der Frequenzgang: Ein System bei dem SÀnger nicht, oder schlimmer an einer völlig falschen Stelle geortet werden, kann nicht ernsthaft als "eingemessen" bezeichnet werden. Die Kanalgleichheit hat mit der Gleichheit der FrequenzgÀnge des rechten und linken Kanals zu tun, viele weitere Effekte gehen aber ebenso ein. Anfangs sind Hörtests sicher der bessere Weg zur Wertung.
Auswertung von Phase, Delay, Gruppenlaufzeit
WĂ€hrend der Frequenzgang zeigt, wie stark eine bestimmte Frequenz wiedergegeben wird, zeigen diese Kurven in verschiedenen Formen, wann sie wiedergegeben wird. Nicht alle Frequenzen kommen immer gleich schnell an: Ein Beispiel aus der Natur ist das Knacken von Eis auf einem zugefrorenem See: Aus einiger Entfernung Ă€ndert sich das "Knack"-GerĂ€usch zu einer Art "Piu", weil die höheren Frequenzen von Eis schneller ĂŒbertragen werden. Auch beim Einschlag eines Blitzes kommt der tieffrequente Donner oft spĂ€ter als der Knall des Einschlags an. Im Gegensatz zum brechenden Eis, dessen Verhalten sich physikalisch nachvollziehen lĂ€sst, spielen hier allerdings viele nicht genau bekannte Faktoren zusammen. Bei entfernten Explosionen ist der zeitliche Verlauf beispielsweise völlig anders.
Das Verhalten von Schall in WohnrĂ€umen entspricht eher dem zweiten Beispiel. Nur Teilaspekte scheinen manchmal durch Konzepte wie BassreflexkanĂ€le erklĂ€rbar. Ohne MaĂnahmen an der Raumakustik braucht man sich wohl nicht damit zu beschĂ€ftigen. Danach sicherlich im High End Bereich, ansonsten vielleicht. Ein Rezept zum VerstĂ€ndnis der Kurven steht bereits an anderer Stelle.
Auswertung der Impulsantwort
YouTube.com: 3. Room Acoustics Meter: EinfĂŒhrung in die Impulsantwort
Grob gesagt ist Impulsantwort, auch Impulse Response (IR), das, was man hört, wenn ein scharfer Knall abgespielt wird. Sie charakterisiert sowohl Echos, Reflexionen, Hall usw. im Hörraum als auch die Reaktion der Lautsprecherboxen samt zugehöriger Elektronik. Statt des Knalls spielen Hifi-Apps einen vertrÀglicheren Logsweep ab und rekonstruieren daraus die Daten des Knalls.
Vor Auseinandersetzung mit der gemessenen Impulsantwort sollte intuitiv klar sein, worum es geht. Dazu kann man in verschiedenen RĂ€umen die HĂ€nde klatschen und hören, wie der Hall abklingt. Der ideale Hörraum darf weder "völlig tot" noch hallig wie ein Badezimmer sein. Der Hall sollte sich auch gleichmĂ€Ăig im Raum verteilen und nicht (z.B. zwischen gegenĂŒberliegenden WĂ€nden) oder hin- und hergeworfen werden. Mit etwas Ăbung ist das gut hörbar. Es kann helfen, den Kopf beim Klatschen in verschiedene Richtungen zu drehen.
Die gemessene Impulsantwort zeigt den zeitlichen Verlauf des Schalldrucks oder einer eng verwandten GröĂe. Auf der x-Achse steht immer die Zeit, bei Hifi-Apps wahlweise auch als Produkt mit der Schallgeschwindigkeit in Metern. Die Kurve lĂ€sst sich in drei Teile unterteilen:
- Der Peak auf der linken Seite zeigt den Direktschall. Das ist der Schall, der ohne Umwege das Mikrofon erreicht. Anschaulich ist es der erste und intensivste Anteil des gedachten Knalls. Seine Form kommt vom Einschwingvorgang bestimmter Teile des Lautsprechers und wĂ€re in einem schalltoten Raum Ă€hnlich. Es muss sich nicht zwingend um einen einzelnen Peak handeln, mehrere Schwingungen nebeneinander sollten aber nicht ĂŒberinterpretiert werden. Nicht jeder Spike in diesem Bereich liefert brauchbare Information, es gibt auch rechnerische Artefakte [Usher 2010].
- FrĂŒhe Reflexionen sind oft relativ isolierte, originalgetreue Wiederholungen des Direktschalls. Sie können auch im Frequenzgang sichtbar sein und sind bereits dort beschrieben.
- SpĂ€ter Nachhall. Die einzelnen Reflexionen gehen durch mehr und mehr Spiegelungen in einen ergodischen Zustand ĂŒber: Anschaulich gesehen springt die lauteste Stelle nicht mehr im Raum hin und her, sondern hat sich verteilt. AuĂer der LautstĂ€rke des Nachhalls Ă€ndert sich nichts mehr. Der Hörsinn empfindet letzteres als angenehmer. Deshalb werden Diffusoren zur Schallverteilung eingesetzt.
Hellblau: Die Impulsantwort des leeren Raums ist erwartungsgemÀà so schlecht, dass die Einzelheiten kaum interpretiert werden mĂŒssen. Trotzdem - Spalte 2: In der VergröĂerung stechen insbesondere der Einschwingvorgang in den ersten 3 ms und die Peaks danach heraus. Die ersten beiden Peaks wurde mit der Schall Laufzeit gekennzeichnet. Offenbar gibt es zwei Schall spiegelnde FlĂ€chen, die den Schall mit 2,84 bzw. 4,56 m Umweg von linken Lautsprecher zum Mikrofon reflektieren. Die akustische Behandlung könnte mit der Suche nach diesen FlĂ€chen per Schnur-Methode und ihrer Behandlung beginnen. Um den Einschwingvorgang am Anfang etwas zu verteilen, könnte an Diffusoren gedacht werden. Andererseits zeigt die untere Bildreihe, dass die Nachhallzeit viel zu lang ist, was mehr fĂŒr DĂ€mmung spricht. Vermutlich wĂ€re jede Behandlung eine Verbesserung.
Bei den LĂ€ngenangaben sind Toleranzen von 10 bis 20 cm normal, bei groĂen Lautsprechern entsprechend mehr, weil der genaue Ort der Schallquelle durch das Zusammenspiel mehrerer Chassis oft unklar ist. Ăber Ă€hnliche Abweichungen zwischen RaumgröĂe und gemessenen Verzögerungen sollte man sich auch nicht zu sehr wunden. Es genĂŒgt wahrscheinlich zu wissen, dass die akustische GröĂe eines Raumes bis zu 20 % gröĂer sein kann als seine architektonische. Insbesondere wenn die WĂ€nde aus Holz oder Gipskarton sind und mitschwingen (Websuche "Schall an Mediengrenzen" fĂŒr mehr).
FĂŒr die Y Achse der Impulsantwort gibt es mehrere Möglichkeiten. GrundsĂ€tzlich kann im ersten Schritt zwischen linearer und logarithmischer Darstellung gewĂ€hlt werden. Da der Schalldruck in der Impulsantwort eines Wohnraums ĂŒber weite Strecken logarithmisch abfĂ€llt, bietet sich letztere quasi von selbst an. Der Abfall erscheint als Gerade und Abweichungen davon werden erkennbar. Die lineare Darstellung ist dafĂŒr nĂ€her an den gemessenen Rohdaten. Entsprechend besser sind technische Details wie das Zusammenspiel verschiedener Lautsprecherchassis sichtbar. Um Teile mit kleiner Amplitude anzusehen, kann die Kurve mit Zwei-Finger Gesten vergröĂert werden.
YouTube.com: 4. Room Acoustics Meter: GeglÀttete Impulsantwort und Step Response
Bei beiden Darstellungen gibt es ein grundlegendes Problem: Die beim Mikrofon ankommende Energie fĂŒr einen Zeitabschnitt ist je nach Darstellung eng verwandt der FlĂ€che unter dem entsprechenden StĂŒck Kurve. Sie ist im Idealfall auf einen einzigen schmalen hohen Peak konzentriert. In der realen Welt laufen aber dessen hochfrequente und niederfrequente Anteile frĂŒher oder spĂ€ter auseinander. Die hochfrequenten Anteile bleiben aber naturgemÀà auf einen kurzen Zeitabschnitt beschrĂ€nkt. Mithin werden sie durch hohe schmale Peaks dargestellt. Die niederfrequenten Anteile ĂŒberdecken zwar eine vergleichbare FlĂ€che, diese geht aber ĂŒber einen viel weiteren Zeitabschnitt. Sie sind deshalb kaum zu sehen, obwohl sie fĂŒr den Hörsinn viel wichtiger sind. Bei Forendiskussionen zur Raumakustik wird meist eine rohe oder leicht geglĂ€ttete logarithmische Darstellung gepostet.
Auf der anderen Seite sind die Peaks ein nĂŒtzlicher Indikator, um einzelne Reflexionen
möglichst genau zu identifizieren. Sie können nicht einfach "weggeglÀttet" werden.
Zum VerstÀndnis des Systems sollte also zwischen den Darstellungen hin- und
hergeschaltet werden. Die App bietet folgende Möglichkeiten:
- Lineare Darstellungen
- [RAW] zeigt die Rohdaten, wie in den Beispielen oben
- [AVG] zeigt die geglÀtteten Rohdaten. Die scharfen Peaks durch hohe Frequenzanteile verschwinden, dadurch werden Reflexionen ohne hohe Frequenzanteile besser erkennbar. Die Bandbreite der GlÀttung ist mit dem Slider "Bandwidth" einstellbar. Diese Darstellung sollte nur verwendet werden, nachdem die ungeglÀtteten Daten angesehen wurden. Durch das "Ausschmieren" der Peaks könnten sonst unterschiedliche Reflexionen zusammenschmelzen. Die Norm EBU 3276 richte beispielsweise das Augenmerk auf Spikes in der ungeglÀttete Impulsantwort.
- [STEP] zeigt die Schrittantwort, d.h. das Integral von [RAW], also anschaulich die bisher gesammelte FlĂ€che unter der Kurve RAW wenn man diese von links nach rechts abtastet. Bei einem idealen System wĂŒrde sie zum Zeitpunkt 0 von 0 auf 1 springen und dort bleiben. Bei einem realen System sind deutliche Schwingungen sichtbar, die den Hörsinn aber erstaunlich wenig irritieren. Vorteil der Darstellung ist, dass auch hier Reflexionen mit und ohne hohe Frequenzanteile Ă€hnlich aussehen, wenn sie Ă€hnliche Energiemengen ĂŒbertragen. Ein Beispiel steht in der Dokumentation der ETC (siehe unten).
- [ETC]: Die Energy Time Curve, auch Impulse Response Envelope ist hier dokumentiert. Sie zeigt die momentane vom Mikrofon gemessene Energie (genauer: die Hilbert Transformierte) des Schallfeldes. In Kombination mit anderen Darstellungen kann sie zur Erkennung unerwĂŒnschter Reflexionen beitragen.
- Logarithmische Darstellungen
- [RAW] wie bei "Lineare Darstellungen". Siehe Text weiter oben fĂŒr den Unterschied linear / logarithmisch. Der begrenzte Platz kleiner Bildschirme kann besser genutzt werden, wenn der untere dB Wert begrenzt wird. Dazu muss in der zentralen Ansicht der App (HauptmenĂŒ) geöffnet werden. Die Einstellung erfolgt unter SETUP/"Range for sound pressure [dB]".
- [MAX] Zeigt die Maximalwerte von RAW (in 0.5 ms Intervallen). Dadurch wird verhindert, dass AusschlÀge nach unten Bildschirm-Platz verbrauchen. Dadurch lassen sich auf kleinen Bildschirmen und vielen Kurven darstellen.
- [ETC] wie bei "Lineare Darstellungen".
- T60 Method Comparison
- [RAW], [MAX], [ETC] arbeiten wie in "Logarithmische Darstellungen"
- Schröder Kurve: zeigt die gesamte Energie, die noch im Schallfeld steckt. Sie macht nachvollziehbar, woher die berechneten Nachhallzeiten und deren Abweichungen bei verschiedenen Methoden kommen. Siehe Text weiter oben.
- Die Nachhallzeit in Sekunden zeigt an, wie schnell der Hall in einem Raum unter die Hörschwelle (-60 dB) abklingt. Hifi-Apps verwendet die Schröderkurve zur Berechnung. Je nach Methode werden zwei Punkte dieser Kurve ausgesucht und mit einer Geraden verbunden. Die Nachhallzeit ist dann die Zeit, die diese Gerade braucht, um 60 dB "Höhenunterschied" zu verbinden. Sie hĂ€ngt also davon ab, welche Punkte in der Kurve jeweils vergleichen werden. FĂŒr gute Lokalisation ist eher der Anfang der Kurve wichtig, fĂŒr einen angenehmen Raumeindruck spĂ€tere Teile. Entsprechend gibt es mehrere Normen, die in der App ausgewĂ€hlt werden können. Die App bietet zusĂ€tzlich an, den Start- und Endpunkt frei zu wĂ€hlen. Grundlage ist entweder der dB-Wert, also die Y-Koordinate oder der Zeit-Wert, also die X-Koordinate. In allen FĂ€llen kann sowohl die Schröderkurve als auch die verbindende Gerade eingeblendet werden. Auf diese Weise erhĂ€lt man nicht nur den Wert fĂŒr die Nachhallzeit, sondern ein umfassenderes Bild wo er herkommt.
YouTube.com: 5. Room Acoustics Meter: Frequenz gefilterte Impulsantwort
Wasserfall
YouTube.com: 7. Room Acoustics Meter: Wasserfalldiagramm und Spektrogramm
Der "normale" Summenfrequenzgang zeigt, wie stark jede Frequenz wiedergegeben wird, wobei egal ist, wann sie ankommt. Im Wasserfalldiagramm ist wie beim Summenfrequenzgang die Amplitude gegen die Frequenz aufgetragen. Allerdings wird die ankommende SchallintensitĂ€t in Zeitabschnitte zerhackt und so auf mehrere Kurven verteilt. Diese werden ab jetzt FR(t) genannt, was darstellen soll, dass es sich um zeitabhĂ€ngige FrequenzgĂ€nge (Frequency Responses) handelt. Der erste FR(t) ist also beispielsweise der Frequenzgang fĂŒr die ersten 5 ms, der nĂ€chste fĂŒr die nĂ€chsten 5 ms usw. Dadurch wird besser erkennbar, ob einzelne UnregelmĂ€Ăigkeiten im Summenfrequenzgang z.B. von kurzen, intensiven Reflexionen oder weniger intensiven aber dafĂŒr lĂ€ngeren Resonanzen kommen. Sowohl die Hörsamkeit (also ob ĂŒberhaupt MaĂnahmen dagegen nötig sind) als auch die MaĂnahmen selber hĂ€ngen davon ab.
Die Ausgabe entsteht, indem der Frequenzgang nicht aus der gesamten Impulsantwort berechnet wird, sondern jeweils aus dem Abschnitt, der fĂŒr FR(t) zeitlich untersucht werden soll. Jeder FR(t) entsteht also aus einem bestimmten Abschnitt der Impulsantwort um die Zeit t herum.
Selbst ein ideales Wasserfalldiagramm in einem absolut reflexionsfreien Raum wĂŒrde sich nicht auf FR(t=0) beschrĂ€nken: WĂŒrde man im Beispiel die Breite der untersuchten Zeitabschnitte auch auf 5 ms (= 1/200 Hz) setzen, könnten Frequenzen unterhalb von 200 Hz schlichtweg nicht definiert werden, da keine volle Periode in diesen Zeitabschnitt passt. Dieses Heisenberg-Limit verhindert, dass es schnelle Bass Arien gibt. Es kann nicht durch geschickte Algebra ĂŒberwunden werden.
Aus diesem Grunde muss immer ein Kompromiss aus Zeit- und Frequenzgenauigkeit gewĂ€hlt werden. DafĂŒr gibt es zwei etablierte Methoden [IRZU FFT WAVELETS]:
- FFT
Im Overlay fĂŒr die Einstellungen wird die Anzahl der Kurven zusammen mit der zeitlichen Position der ersten und letzten Kurve gezeigt. Klick auf [CHANGE] ermöglicht die Ănderung. Dazu wird die Ansicht temporĂ€r gegen die Impulsantwort ausgetauscht. Man sieht jetzt die einzelnen Abschnitte der Impulsantwort, aus denen die FR(t) berechnet werden. Die Einstellungen fĂŒr das Bild oben:Hier sind 20 stark ĂŒberlappende Abschnitte gewĂ€hlt, von denen der erste bei -10 ms, also 10 ms vor dem Haupt-Peak der Impulsantwort anfĂ€ngt. Der letzte beginnt 500 ms spĂ€ter. Der Kompromiss zwischen Genauigkeit von Zeit oder Frequenz wird durch die Breite der einzelnen Abschnitte festgelegt. HierfĂŒr dienen die beiden letzten Slider "FFT Rise" und "FFT Top+Fall". Die Summe ihrer Werte (hier also 15 ms + 204 ms) ergibt einen Anhaltspunkt fĂŒr die Frequenzauflösung, die hier bei wenigen Hz liegen sollte. Die Abschnitte sind also sehr breit gewĂ€hlt und ĂŒberlappen auch entsprechend stark. Entsprechend schlecht ist auch die zeitliche Auflösung. DafĂŒr ist die schmalbandige Mode bei 110 Hz im Bild oben gut erkennbar.
- Wavelet
Diese Darstellung passt wesentlich besser zum Ausgabe-Modus [Spektrogramm] und ist hier nur fĂŒr Vergleichszwecke mit den FFT-Daten implementiert. Anschaulich legt die Methode auf viele Stellen der Impulsantwort jeweils relativ kurze WellenzĂŒge mit wenigen Schwingungen (Wavelets). Die Impulsantwort wird also auch StĂŒckweise abgetastet. Diese Abtastung wird aber mehrmals wiederholt, wobei die Frequenz der Wavelets geĂ€ndert wird. Ihre Form bleibt dabei gleich, d.h. bei halbierter Frequenz verdoppelt sich ihre LĂ€nge. Dadurch werden fĂŒr die gesamte Impulsantwort jetzt nur noch halb so viele Wavelets gebraucht. Das hat den Vorteil, dass bei hohen Frequenzen, wo eine hohe Zeitauflösung möglich ist, viele Abtastungen in entsprechend kurzen Zeitabschnitten erfolgen. Bei tiefen Frequenzen werden die Zeitabschnitte dagegen lang genug, um die Frequenzauflösung (pro Oktave) beizubehalten.
Beispiel: Das Wavelet hat eine LĂ€nge von 5 WellenzĂŒgen. Setzt man seine Frequenz auf 40 Hz, deckt es einen Bereich von 0.125 Sekunden ab. Mit etwas Ăberlapp genĂŒgen also ungefĂ€hr 10 Wavelets um das 40-Hz Band der Schallverteilung in der ersten Sekunde zu untersuchen. Dabei ist theoretisch eine Genauigkeit von bis zu 1 / 0.125 s = 8 Hz, also grob 1/3 Oktave möglich. FĂŒr 80 Hz benötigt am 20 Wavelets, erhĂ€lt so die doppelte Zeitauflösung mit Genauigkeit 16 Hz, also wieder 1/3 Oktave. Bei 800 Hz können 200 Wavelets, bei 8000 Hz 2000 Wavelets verwendet werden. Die Frequenzauflösung bleibt bei 1/3 Okt, die zeitliche Auflösung wird immer besser.
Bei der App reduzieren sich die Einstellungen also theoretisch auf die Genauigkeit in Oktaven und Beginn und Ende des abzutastenden Zeitbereichs. In der Praxis muss das Wasserfalldiagramm aber Kurven mit festem Zeitabstand liefern, deshalb bleiben Anzahl der Kurven und Auflösung einstellbar. Die Wavelets werden dann "entgegen ihrer natĂŒrlichen Auflösung" auf diese Kurve "gezwungen". Es bleibt der Vorteil, dass sehr kleine Zeitabschnitte des Hochtonbereichs aufgelöst werden. Bei der Spektrogramm-Darstellung entfĂ€llt dieser Zwang und die Wavelets können ihre Vorteile erheblich besser ausspielen.
Spektrogramm
Das Spektrogramm Àhnelt inhaltlich dem Wasserfalldiagramm. Es benutzt statt verschiedener Kurven
verschiedene Farben. Bei beiden Diagrammen ist eine Achse fĂŒr die Frequenz.
Beim Spektrogramm ist die andere Achse fĂŒr die Zeit und die Farbe fĂŒr die IntensitĂ€t.
Beim Wasserfalldiagramm ist die andere Achse fĂŒr die IntensitĂ€t und fĂŒr verschiedene Zeiten
werden verschiedene Kurven angezeigt. Mit diesen Unterschieden im Hinterkopf entspricht
die Dokumentation der des Wasserfalldiagramms.
T60
Im Abschnitt Auswertung der Impulsantwort wurde erlĂ€utert, wie Hifi-Apps die Nachhallzeit T60 messen und verschiedene gefilterte Impulsantworten mit zugehörigen T60 dargestellt. Die Berechnungen hier sind identisch, gehen aber einen Schritt weiter: Die Nachhallzeit wird mit Terz- oder Oktav-Abstand fĂŒr viele Frequenzen berechnet und als Funktion der Frequenz dargestellt. Dadurch wird ein direkter Vergleich mit gĂ€ngigen Normen möglich. Diese können ausgewĂ€hlt und eingeblendet werden. Zur Berechnung der Normwerte muss das Raumvolumen festgelegt werden.
Die berechneten Nachhallzeiten im Bassbereich darf nicht blind vertraut werden. Wie im Abschnitt "Auswertung der Impulsantwort" gezeigt, unterliegt die gefilterte Impulsantwort dort erheblichen Schwankungen verschiedenster Periodendauern. Diese entstehen aus einer Mischung von chaotischer Raumakustik (unterhalb der Schroederfrequenz) die stark von der Mikrofonposition u.Ă. abhĂ€ngen und Filtereffekten. Letztlich kann ein einzelner T60 Wert niemals das hochkomplexe Verhalten eines Hörraums in diesem Frequenzbereich vollstĂ€ndig beschreiben. Nur wenn sein Verhalten aber Vergleichsmessungen und verschiedenen Auswertungen stabil ist, kann er als Anhaltspunkt dienen. In [Zehner Ringversuch] werden Messungen mit verschiedenen 13 Akustik-Softwarepaketen, bedient von Toningenieuren mit meist weit ĂŒber 10 Jahren Berufserfahrung, vergleichen.
Es ist viel einfacher, hohe Frequenzen zu dĂ€mmen als tiefe. Tiefe Frequenzen spielen aber eine wichtige Rolle fĂŒr die WortverstĂ€ndlichkeit. Entsprechend ist die Nachhallzeit im unteren Frequenzbereich möglichst gut unter Kontrolle zu halten. Bei der Erstellung der DIN 18041 wurden fĂŒr den unteren Frequenzbereich Kompromisse zwischen akustischer QualitĂ€t und Machbarkeit geschlossen [Fuchs 2019]. Im Zweifel ist es also besser, wenn die gemessenen Werte weiter unten im Bereich der Norm liegen.
Ist die Nachhallzeit im Tieftonbereich zu lang, kann im Spektrogramm oder Wasserfalldiagramm nach der Ursache geforscht werden. Im jeweiligen Frequenzband sollte eine Raummode zu finden sein. Die Beseitigung bei einem bestehenden GebÀude ist schwierig. Einige AnsÀtze finden sich hier.
Room Acoustics
YouTube.com: 8. Room Acoustics Meter: Schalldruckkarte
Diese Darstellung kann als parametrisierte Schalldruckkarte verstanden werden. Schalldruckkarten zeigen, wie laut es an den einzelnen HörplĂ€tzen ist. Bei privaten RĂ€umen spielt das aber keine groĂe Rolle, die LautstĂ€rke ist ĂŒberall mehr oder weniger gleich. Problematisch sind dafĂŒr Resonanzen und Reflexionen, die an jedem Platz ein unterschiedliches Hörbild erzeugen können. Der Schalldruck jeweils fĂŒr eine bestimmte Frequenz ist also hier viel entscheidender. Genau da setzt die Darstellung an: Die Schalldruckkarte ist durch einen Regler ergĂ€nzt, mit dem die Frequenz durchgestimmt werden kann:
FĂŒr das Beispiel wurde an 28 PlĂ€tzen gemessen. die Grafik zeigt, den Grundriss des Raumes, die roten Stellen sind fĂŒr die jeweilige Frequenz laut, die grĂŒnen leise. Bei 44 Hz und 140 Hz bauen sich deutliche Raumresonanzen auf, einmal quer und einmal lĂ€ngs. Die 44 Hz Resonanz verhĂ€lt sich nicht "lehrbuchhaft": auf der rechten Seite ist sie kaum sichtbar. Der Raum hat dort zwei dĂŒnne GlastĂŒren, die offenbar akustisch gĂŒnstig sind. In den nĂ€chsten Schritten sollte untersucht werden, welche anderen Lautsprecher Aufstellungen oder Ansteuerungen das Bild verbessern. Klar erkennbar ist, dass der grĂŒn / blaue Bereich kaum durch mehr Leistung verbessert werden kann: FĂŒr die erforderliche Erhöhung des Schalldrucks um ca. 10 dB mĂŒsste die Leistung verzehnfacht werden, womit der Bass in anderen Raum- und Frequenzbereichen (und auĂerhalb des Raumes) unertrĂ€glich wĂŒrde.
Details zur Messung
Die Messung sollte sich in einem Raster in Ohrhöhe ĂŒber die gesamte GrundflĂ€che des Raumes erstrecken. (SpĂ€ter bei der Auswertung zeigt das Diagramm so den Grundriss des Raumes.) Die App bestimmt dabei die Mikrofonpositionen automatisch anhand der Schall Laufzeiten. So werden die horizontalen Moden mit ihren jeweiligen Maxima sichtbar. Je deutlicher das Maximum an einer bestimmten Stelle hervortritt, desto wirkungsvoller ist DĂ€mmung an genau dieser Stelle. Man erhĂ€lt also konkrete Vergleichswerte, was DĂ€mmung an einer bestimmten Stelle bewirken kann und ist weniger auf Intuition und Vermutungen angewiesen.
Als Maschenbreite hat sich 1 m bewĂ€hrt. Schwankungen in kleinerem MaĂstab sollten, wie oben beschrieben als Trends verstanden werden. Man kann sich die MĂŒhe sie einzeln zu vermessen also sparen.
Die Messung erfolgt ĂŒber den rechten und linken Kanal getrennt. Wenn Subwoofer eingesetzt werden, sollten sie angesteuert werden "wie immer". Auch bei Stereo Aufnahmen ohne gesonderten Bass (LFE) Kanal kann der Bassbereich allerdings (teilweise) monophon abgemischt sein. Dadurch können VerstĂ€rkungen und Auslöschungen zwischen beiden Lautsprechern entstehen, die durch weitere Messungen, bei denen mehrere Lautsprecher gleichzeitig angesteuert werden, erfasst wĂŒrden. Nach meinen persönlichen Erfahrungen endet man damit allerdings schnell im "Fluch der vielen Parameter", wenn man keine fest Vorgehensweise befolgt. Ein Vorschlag hierzu findet sich in der Dokumentation zur App "Subwoofer Optimizer".
Details zur Auswertung
Oberhalb des Diagramms befindet sich ein Slider zur Auswahl der Frequenz. Der Umschalter "Alle Frequenzen" vs. "Raummoden" links daneben steuert das Verhalten des Sliders. "Alle Frequenzen" ermöglicht die freie Auswahl der Frequenz, "Raummoden" bietet einige "besonders verdĂ€chtige" Frequenzen mit groĂen Pegelunterschieden je nach Raumposition gezielt an.
Falls mehrere KanÀle (R, L...) oder mehrere Lautsprecheraufstellungen gemessen wurden, wird im unteren Bereich eine entsprechende Auswahlmöglichkeit eingeblendet:
- All speakers (max. SPL of ...) zeigt einen ersten Ăberblick. Raummoden sind erkennbar, egal durch welchen Lautsprecher in welcher Position sie angeregt werden. Die App verwendet fĂŒr jeden Mikrofonplatz alle Messungen (rechter und linker Kanal, ggf. mehrere Lautsprecheraufstellungen) und zeigt den maximal gemessenen Schalldruck an. (Die Messungen sind automatisch gegeneinander eingepegelt.)
- All positions of spkr. ... funktioniert wie der erste Punkt, beschrÀnkt sich aber auf den jeweiligen Kanal (nur rechter und nur linker Kanal). So kann ermittelt werden, ob bestimmte Moden durch einen einzelnen Lautsprecher angeregt werden.
- Single pos. of spkr. ... beschrĂ€nkt sich schlieĂlich auf eine Aufstellung eines bestimmten Lautsprechers. So kann ermittelt werden, ob bestimmte Moden durch einen einzelnen Lautsprecher in einer bestimmten Aufstellung angeregt werden.
Die Impulsantwort - technischer Background
Frequenzgang und Impulsantwort sind zueinander Fourier transformiert. In den Beispielen oben wurden sowohl im Frequenz- als auch im zeitlichen Bereich Filter eingesetzt. Die Fourier- und Hilbert-Transformierte dieser Filter erzeugt Artefakte, die nicht mit den physikalischen Eigenschaften des untersuchten Systems vermischt werden dĂŒrfen: Filter im Frequenzbereich sind im zeitlichen Bereich als eine Art Einschwingvorgang zu sehen und umgekehrt. Das wird als Filterklirren bezeichnet und tritt auch bei linearen Systemen auf, hat also technisch gesehen einen anderen Ursprung als das "normale Klirren" durch NichtlinearitĂ€ten.
Die Beispiele wurden in der App generiert, indem das gemessene Mikrofon-Signal durch den Logsweep ersetzt wurde. Es wurde damit ein ideales System simuliert, das den Logsweep exakt wiedergibt. Die Filterung der Impulsantwort erfolgt in der Ansicht [IMP RESP] durch Aktivieren von [FILTER]. In einigen FÀllen wurde der Logsweep zusÀtzlich per Wave-Editor bearbeitet (siehe Tabellen).
Die folgende Tabelle zeigt Artefakte, die durch verschiedene Sampleraten und die Begrenzung des Frequenzgangs bei 20 kHz entstehen:
Die Impulsantwort zeigt in der normalen Ansicht kaum erkennbare, aber nach Zoom der Zeitachse deutliche AusschlĂ€ge mit ca. 0.05 ms Periodendauer, also grob 20 kHz. Diese hĂ€ngen nicht von der Samplerate ab. Es ist nur zu erkennen, dass das Bild bei 192 kHz klarer wird. Die ungeglĂ€ttete Hilbert-Transformierte (ETC fĂŒr Energy Time Curve) bildet die EinhĂŒllende.
Zum Vergleich wurden mehrere Filter mit verschiedener Steilheit bei 50 Hz gesetzt. Hier zeigt sich ein analoges Bild in der entsprechenden Zeitskala. Das sichtbare Artefakt ist also höchstwahrscheinlich auf den bei 20 kHz begrenzten Frequenzgang zurĂŒckzufĂŒhren. Ein ideales Filter, das an der Kreisfrequenz Ïg schlagartig abregeln wĂŒrde, hĂ€tte die Impulsantwort sin(Ïgt)/t und die Null-DurchgĂ€nge lĂ€gen etwas weiter auĂen bei 10 ms (Websuche: si-Filter, KĂŒpfmĂŒllerâTiefpass). Die hier eingesetzten Filter haben eine endliche Bandbreite und klingen deshalb schneller ab. Einer Roloff-Bandbreite von 1/3 Oktave lĂ€sst die Impulsantwort nach 5 bis 10 Perioden auf ein nicht mehr störendes MaĂ abklingen. Um diese zusĂ€tzliche 1/3 Oktave abzudecken, mĂŒssten die Messdaten bis 25 kHz gehen.
Fazit: Schwingungen im Bereich der Roloff-Frequenz sind Artefakten und kein Indiz fĂŒr Defekte oder Ungenauigkeiten im verwendeten Equipment oder Folgen wunderlicher "abgestuft reflektierenden" GegenstĂ€nde. Falls sie bei der Untersuchung von Reflexionen auftreten sollte man sie entsprechend einordnen und sich nicht stören lassen. Zu Beseitigung wĂ€re ein Roloff deutlich ĂŒber den 20 kHz Bereich hinaus nötig. Da ĂŒbliche Messungen dort keine Daten liefern, ginge das nur mit rechnerischen Kunstgriffen.
Das vierte Bild zeigt dieselben Daten logarithmisch (in dB) und den zugehörigen T60-Wert. Auch wenn die verwendete Impulsantwort eine Nachhallzeit von nahezu Null hat, ist die berechnete Nachhallzeit nach der Filterung nicht Null. T20 (d.h. T60 ermittelt aus einem Abfall von 20 dB) hat im Bild bei 1 Oktave Bandbreite und 50 Hz Eckfrequenz den Wert 150 ms. Bei einer Bandbreite von 1/6 Oktave steigt der Wert auf 327 ms. In der Praxis kann bei zu eng gesetzten Filtern das Filterklirren in die GröĂenordnung des Nutzsignals kommen [Goertz 2020]. Das darf bei der Untersuchung enger FrequenzbĂ€nder nicht vergessen werden.
Verschiedene Lautsprecher und RĂ€ume
Beschreibung | Frequency und Implse Response - Bild zum Vergrössern anklicken | Hifi-Apps Ergebnis und Kommentar | |
PC R5x5![]() |
Kleine PC Lautsprecher auf einem Tisch in einem nahezu ungedÀmmten quadratischen Raum (5m x 5m). | ![]() |
2019-08-29_INT.PCSPKR.WZ5X5 (Deutsch) |
PC OFFICE![]() |
Kleine PC Lautsprecher im BĂŒro. | ![]() |
2019-08-13_TAB_PC_SPKR_CABLE_CONNECTED LIST_2019-08-13_TAB_PC_SPKR_BT_CONNECTED |
GAUS + ABSORBER![]() |
Modularer Eigenbau mit Plasma Hochtönern (Magnat MP 02) - DÀmmung mit aktustischen VorhÀgen. | ![]() |
LIST_2019-08-19_INT.GAUS.VORH.OFFEN LIST_2019-08-19_INT.GAUS.VORH.ZU LIST_2019-08-19_AUDIX.GAUS.VORH.OFFEN LIST_2019-08-19_AUDIX.GAUS.VORH.ZU. |
ML + ABSORBER![]() |
Dipol Lautsprecher (Martin Logan ESL 9) | ![]() |
2019-09-22_ML_INT_XXX |
QU50 LIV![]() |
Standlautsprecher (Quadral Chromnium Style 50) in 5m x 7m grossem durchschnittlich möbliertem Raum | ![]() |
LIST_2019-06-11_AUDIX.WZ.STR-GTN LIST_2019-06-11_INT.WZ.STR-GTN. |
QU30 BA![]() |
Kein worst case Szenario: Quadral Chromnium Style 30 in einem Badezimmer. | ![]() |
LIST_2019-10-17_INT_QUADRAL_BAD |
QU30 R5x5![]() |
KĂŒnstliche Provokation von Bodenreflexionen (rechter Lautsprecher zum Boden geneigt) | ![]() |
LIST_2019-10-17_AUDIX_W5_FB. LIST_2019-10-17_INTW5_FLOORBOUNCE. |
MARTION![]() |
Hornlautsprecher MARTION Bullfrog aktiv | ![]() |
LIST_2019-10-30_MARTION_BULLFROG |
Literatur
[Blauert 1974, Wikipedia] Wikipedia Artikel "Blauertsche BĂ€nder": https://de.wikipedia.org/wiki/Blauertsche_B%C3%A4nder
[Defrance 2009] G. Defrance, L. Daudet and J-D. Polack: Using Matching Pursuit for estimating mixing time within Room ImpulseResponses. DOI:10.3813/AAA.918239 https://www.institut-langevin.espci.fr/IMG/pdf/defrance2009.pdf
[Fuchs 2019] Helmut Fuchs, Vortrag TU-Berlin 2019.
[Goertz 2020] Anselm Goertz: Seminat "Studioakustik und Monitorlautsprecher" 2020 TU-Berlin.
[IRZU FFT WAVELETS] IRZU, Research - Category: FFT & WAVELETS https://irzu.org/category/research/fft-wavelets/
[MĂžller 1974] MĂžller, Henning: Relevant loudspeaker tests in studios inHi-Fi dealers' demo rooms in the home etc. using 1/3 octave, pink-weighted, random noise. 47th Audio Engineering Society Convention, 1974-02-26/29, Copenhagen (Denmark), https://www.bksv.com/media/doc/17-197.pdf
[Toole 2015] Toole, Floyd E: The Measurement and Calibration of Sound Reproducing Systems, in:âJournal of the Audio Engineering Society 63(7/8):512-541, August 2015, http://www.aes.org/e-lib/download.cfm/17839.pdf?ID=17839
[Usher 2010] John Usher: "An improved method to determine the onset timings of reflections in an acoustic impulse response". The Journal of the Acoustical Society of America 127, EL172 (2010); https://doi.org/10.1121/1.3361042 https://asa.scitation.org/doi/10.1121/1.3361042
[Zehner Ringversuch] Markus Zehner: Ringversuch Nachhallzeit http://www.zehner.ch/lab/ringversuch4.html
[Protheroe 2013] Daniel Protheroe, Bernard Guillemin: "3D impulse response measurements of spaces using aninexpensive microphone array". Toronto, Canada International Symposium on Room Acoustics 2013 http://www.iris.co.nz/media/14459/ISRA2013.pdf