Grundlagen der Raumakustik



Inhaltsverzeichnis

Einführung
Was ist Schall überhaupt?
Was sind Raummoden? -> die Probleme mit der Tieftonwiedergabe
Funktionsweise von Absorbern und Diffusoren
Grundsätze zur akustischen Gestaltung eines Hörraumes
Ortbarkeit von tiefen Frequenzen


Einführung

Vielen wird der Begriff "Akustik" wahrscheinlich erstmal nicht viel sagen. Dabei beschreibt dieser Begriff ein Gebiet, welches uns alltäglich umgibt.

Jeder wird wohl das Echo kennen, wenn er in einer sehr großen Halle oder in einem Gebirge oder so mal in die Hände klatscht oder laut ruft. Durch die Wände und Begrenzungsflächen wird der Schall reflektiert und zurückgeworfen.
Dies passiert aber nicht nur in großen Räumen so, sondern auch in kleineren. Überall wo Wände sind, wird auch der Schall reflektiert, mal mehr, mal weniger bewusst durch den Hörer.
Wichtig ist dies vorallem für die HiFi Wiedergabe in den eigenen vier Wänden.

Grundlegend dabei ist: kein Lautsprecher strahlt ausschließlich nur in eine Richtung ab. Je nach Frequenz hört man in jeder Richtung den Schall. Man braucht sich dazu einfach mal nur hinter seine Lautsprecher stellen und hören, wie der Klang dort ist.
Wie man deutlich mitbekommen wird: der Schalldruckpegel ist meistens gar nichtmal soviel geringer, wie vor dem Lautsprecher. Allerdings klingt es anders.

Da ja nun der Lautsprecher den Schall in jede Richtung abgibt, und die meisten Oberflächen in einem Raum reflektierend (schallhart) sind, kommt es dazu, dass der reflektierte Schall sich mit dem eigentlich original vom Lautsprecher abgestrahlten
Schallanteil überlagert. Was man also am Ende hört ist oft gar nicht mehr das, was es eigentlich mal gewesen ist.

Nachfolgend möchte ich das wichtige, aber leider auch sehr komplexe Thema, verständlich näherbringen, um ein grundlegendes Verständnis dafür zu erzeugen, welche Probleme es für eine hochwertige Wiedergabe gibt und wie man sie minimieren kann.


Sollte einiges in diesem Artikel unklar sein, schwer verständlich, oder Ergänzungen und dergleichen gewünscht sind, würd ich euch bitten, dies in meinem Forum zu sagen. Dort können wir dann gemeinsam das Problem angehen und einen Lösung finden.


Was ist Schall überhaupt?

Stellen wir uns ein Rohr vor. Dieses ist auf einer Seite offen, und auf der anderen Seite vom Rohr ist ein beweglicher Kolben. Drückt man diesen Kolben nun in das Rohr hinein, dann wird die Luft vor dem Kolben komprimiert. Dadurch entsteht ein Druckunterschied zwischen den beiden Rohrenden, welcher sich nun versucht auszugleichen. Dies geschieht dadurch, weil die Luftmoleküle immer in Bewegung sind und sich gegenseitig anstoßen. Sind nun auf einem Stück durch eine Kompression mehr Luftteilchen als ein Stückchen weiter, dann stoßen die Luftmoleküler sich gegenseitig alle ein kleines Stück in Richtung Unterdruck. Dabei bewegen sich die einzelnen Moleküle aber relativ nur sehr wenig, hingegen durch ihre hohe Bewegungsgeschwindigkeit werden die nächsten Moleküle sehr schnell angestoßen und ebenfalls bewegt.
Auf das Rohr bezogen verläuft nun durch das Rohr eine kleine Stoßfront, jedes Luftteilchen schiebt sein Vordermann ein klein wenig in Richtung Unterdruck, welches wiederum seinen Vordermann wegschiebt usw.
Hier hab ich das mal versucht, grafisch darzustellen:



wenn die Teilchen gelb werden, ändern sie ihre relative Position. Was hier nicht ganz so deutlich herauskommt: Der Druckausgleich findet wesentlich schneller statt als wie sich die einzelnen Teilchen bewegen. Nur das hätte ich nicht darstellen können, da dann die Bewegung der Teilchen in der Grafik nicht mehr erkennbar gewesen wäre.

In dem Fall können wir schon zwei wichtige Größen definieren:

Schallgeschwindigkeit
Es ist die Geschwindigkeit, mit der der Druckausgleich stattfindet. D.h. NICHT die Geschwindigkeit der einzelnen Teilchen.
Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig von der Lufttemperatur: je kühler die Luft ist, desto langsamer bewegen sich die Moleküle und desto länger dauert es, eh sich die Moleküle gegenseitig anstoßen.

Bei 20°C Lufttemperatur beträgt die Schallgeschwindigkeit 344 m/s
Das bedeutet, wenn man den Kolben in das Rohr reinschiebt, dann ist nach einer Sekunde bereits auf eine Länge von 344m der Druck wieder ausgeglichen.

In anderen Materialien ist die Schallgeschwindigkeit anders, weil hier die Moleküle andere Abstände haben und andere Schwingungsgeschwindigkeiten. In einem festen Material wie Beryllium oder Diamant beispielsweise hat man bis zu 18.000 m/s als Schallgeschwindigkeit, das ist einer der Gründe, warum dies die besten Materialien für Hochtöner sind.

Schallschnelle
Dies ist die Geschwindigkeit der Luftteilchen, mit der sie sich relativ bewegen. Dabei kann man grundsätzlich sagen, das die Schallschnelle grundsätzlich ZWISCHEN den maximalen Druckstellen am größten ist. D.h. wenn der Druck am größten ist, befinden sich sehr viele Luftmoleküle auf einer Stelle im Raum, sie stehen aber auch relativ still. Wenn sich nun aber der Druck weiter ausgleicht, bewegen sich die Luftmoleküle in Richtung des Unterdrucks. In dem Moment, wo ihre Bewegung am schnellsten ist, befinden sich auch relativ wenige Luftmoleküle in einem bestimmten Bereich, daher ist auch hier der Druck am geringsten. Dies beschreib ich gleich weiter.


So, bisher haben wir aber noch keinen Schall. Bisher wäre es lediglich das, was bei einer Explosion oder einem Blitzeinschlag entsteht: eine Druckwelle.


Wenn man nun den Kolben hintereinander weg reinzieht und dann wieder herauszieht, wird die Luft komprimiert und kurz danach wieder dekomprimiert. Da nach der Kompression der Druckausgleich sich schon von der Membran wegbewegt, kann er sich nicht mehr mit der nachfolgenden Dekompression des Volumens wieder ausgleichen. Durch eine einfache Kompression und direkt nachfolgende Dekompression des Volumens erhält man schon die einfachste Form einer Schallwelle: eine einfache Schwingung.
Diese Schwingung breitet sich nun genauso wie der Überdruckausgleich in dem Rohr aus.
So würde das animiert aussehen:



Auch hier sind die in relativer Bewegung befindlichen Teilchen gelb und die relativ stillstehenden Teilchen grün eingefärbt. Wie man schön sieht, baut sich vor dem Kolben ein Druck auf, der dann mit Schallgeschwindigkeit sich im Rohr ausbreitet. Da aber direkt nach ihm ein Unterdruck entsteht, der sich ebenfalls ausgleichen will, entsteht eine Schallwelle.
Hier erkennt man jetzt besser, die Charakteristik der Schallschnelle:
Im Bereich des Überdrucks befinden sich sehr viele Moleküle. Da nun direkt danach ein Unterdruck und dann wieder ein Überdruck folgt, werden die Moleküle nun in Richtung dessen gezogen. Zwischen den beiden Überdruckbereichen (Druckmaximum) bewegen sich nun die Moleküle am schnellsten, hier ist die Schallschnelle am größten, aber hier ist auch gleichzeitig das Druckminimum.

Der Abstand zwischen zwei Druckmaximas/-minimas wird als Wellenlänge bezeichnet, oder auch Lambda.
Diese ist von der Frequenz abhängig. Beträgt die Frequenz z.B. 344Hz (d.h. 344 Schwingungen pro Sekunde, entspricht 344 Druckmaxima und Druckminima in der Sekunde), dann würde die Wellenlänge

Lambda = Schallgeschwindigkeit / Frequenz

= 344 / 344 = 1m

betragen. Bei 16kHz wären es nur noch 2,15cm.





Das erstmal grundlegend zum Thema Schallwellen, nun kommt ein weiterer wichtiger Punkt, die Reflektion von Schallwellen:


Es gibt zwei wichtige Begriffe, zur Definition von Oberflächen bei der Reflektion von Schallwellen:

schallweich
Eine Oberfläche wird als schallweich angesehen, wenn diese im betrachteten Frequenzbereich durch die Schallwelle zur Schwingung angeregt wird und damit die Energie der Schallwelle absorbiert und an das nachfolgende Volumen weiterleitet. Zum Beispiel wenn man ein Blatt Papier vor das oben behandelte Rohr halten würde, dann würden die Schallwellen, die aus dem Rohr herauskommen, das Papier zur Schwingung anregen, und dieses würde die Schallwellen direkt an die Umgebung abgeben, ohne dass der Schall wieder in das Rohr zurückreflektiert werden würde (die ist aber auch nur bis zu einer bestimmten Frequenz gültig. Ab mehreren kHz dürfte es nicht mehr zutreffen und das Papier könnte man dann ebenfalls als

schallhart bezeichnen.
Eine Schallharte Oberfläche schwingt im betrachteten Frequenzbereich nicht mit, wodurch die Schallwelle reflektiert wird (Einfallswinkel = Ausfallswinkel)
Eine Betonwand zum Beispiel kann als schallhart im gesamten Hörbereich angenommen werden.




Wenn nun eine Schallwelle senkrecht auf eine schallharte Oberfläche trifft, dann wird sie in ihre Ursprungsrichtung zurückreflektiert.
Durch die Reflektion überlagert sich nun aber die bereits reflektierte Welle mit den nachfolgenden Wellen.
Da an einer Wand sich die Luftmoleküle nicht bewegen können (die Wand lässt sie ja nicht ausweichen), hat man IMMER direkt an der Wand lediglich die Druckmaximums der Wellen.
Weiterhin addieren sich nun gleichartige Druckmaximums, Druckminimums und -maximas hingegen löschen sich im Idealfall komplett aus.
Da das erste Druckmaximum durch die Wand vor derer stehen bleibt, bleiben auch die Überlagerungen stationär (das heißt aber NICHT, dass die Schallwelle stehen bleibt, diese breitet sich nämlich ganz normal weiter aus, es sind lediglich die Überlagerungen, die immer an der gleichen Stelle stattfinden. Und es ist auch nicht so, dass dann immer ein hoher Druck vor der Wände wäre, wenn das so wäre, würde man dort nichts mehr hören. Es ist nur so, dass im Druckmaximum an der Wand der Druck nie unter normal sinkt, sondern immer nur zwischen Normal und Maximum schwankt)
Der Abstand zweier Druckmaxima einer stehenden Welle beträgt die Hälfte der Wellenlänge der Frequenz. Das bedeutet, das man bereits bei der hälfte Wellenlänge Abstand zur Wand bereits wieder ein Druckmaximum hat.
Dementsprechend hat man bei 1/4 Wellenlänge Abstand zur Wand ein Maximum der Schallschnelle. Da aber wie oben schon geschrieben, bei maximaler Schallschnelle immer das Druckminimum ist, hört man hier nix.

Hier mal eine Animation und Grafik zu Veranschaulichung einer stehenden Welle:

die rote Welle ist die einfallende Schallwelle, die grüne ist die zurückreflektierte Schallwelle. Die blaue ist die stehende Welle, die sich durch die Überlagerung beider Wellen ergibt:



Und hier das ganze im Stillstand mit Beschriftung. Das Zeichen in der Achsenbezeichnung ist das Formelzeichen von Lambda, das man mit der normalen Schriftart hier nicht darstellen kann.




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Was sind Raummoden? -> Die Probleme mit dem Bass

Was sind Raummoden?
Weiter oben habe ich erklärt, wie stehende Wellen entstehen. Wenn man nun weiter zwei, zueinander parallele Wände hat, und eine Schallwelle wird zwischen diesen beiden Wänden hin und her reflektiert, dann entstehen vor beiden Wänden entsprechend stehende Wellen. Bei einer bestimmten Frequenz; 2 * Raumlänge = Lambda; passen beide stehende Wellen exakt übereinander und prägen sich voll aus. Bei Frequenzen, die nicht ein Vielfaches dieser Frequenz sind, befinden sich die Druck- und Schnellemaximas an verschiedenen Stellen, wodurch sich die Effekte zum Teil aufheben und sich keine stehende Welle ausprägen kann. Lediglich in der Nähe von Wänden wird man immer das erste Druck- und Schnellmaximum vorfinden. Diese Gesetzmäßigkeit ist auch die Grundlage für alle akustischen Maßnahmen in einem Raum (welche ich weiter unten noch näher erläutern werde).



Die erste Raummode:



auf dem Bild sieht man, wie zwischen zwei Wänden eine stehende Welle sich voll ausprägen kann. An jeweils den Wänden befindet sich ein Druckmaximum, und in der Mitte des Raums ist das Schallschnellmaximum.

Bei welcher Frequenz die erste Raummode eintritt, wird mit folgender Formel berechnet

Frequenz = Schallgeschwindigkeit / (Raumabmessung*2)

Beispiel:
Raumlänge = 6,88m
344 / (6,88*2) = 25Hz

25Hz ist also die erste Raummode bei einem Wandabstand von 6,88m.


Man kann erkennen, dass diese Raummode gleichzeitig die tiefste liegende Raummode der jeweiligen Abmessung ist, weil sobald die Frequenzen noch tiefer werden, passt die Schallwelle nicht mehr zwischen die Wände. Wenn der Raum in einer andere Richtung noch eine größere Abmessung hat, dann kann sich die Schallwelle nun parallel zu den beiden Wänden ausbreiten, ohne dass sie zwischen ihnen hin und her reflektiert wird.
Wenn nun aber diese Raumabmessung der größten Abmessung des Raumes entspricht, dann erfolgt der Druckausgleich im Raum schneller, als wie der Druckerzeuger einen weiteren Druckunterschied erzeugen kann. Somit passt sich der Luftdruck im Raum immer konstant an und es gibt auch keine Schallwellen mehr bei dieser Frequenz.
Dieser Effekt wird Druckkammereffekt genannt. Unter idealen Bedingungen hätte dieser Effekt zur Folge, dass unterhalb der 1. Raummode im Raum der Schalldruck mit 12dB/Oktave nach unten ansteigt. Nehmen wir als Beispiel einen Raum mit maximal 4m Wandabstand. Die erste Raummode liegt ca. bei 43Hz. Unterhalb von 43Hz würde nun unter idealen Bedingungen der Druckkammereffekt eintreten. Wenn man nun also noch einen Subwoofer hätte, der linear bis 20Hz im Freifeld spielt, dann würde nun folgendes passieren: bei ca. 21Hz würde der Bass 12dB lauter sein, da ja 21Hz eine Oktave niedriger ist wie 43Hz.
Nun muss aber keiner Angst haben, dass bei ihm durch den Druckkammereffekt der Bass zu laut werden könnte, denn die wenigstens Räume sind als ideal anzusehen, denn sobald eine Tür/Fenster usw. drin ist, kann der Druckkammereffekt wenig oder gar nicht wirksam werden.
Wenn einem hingegen bekannt ist, dass der Druckkammereffekt funktioniert, könnte man dementsprechend die Lautsprecher/Subwoofer so auslegen, dass sie ab Beginn des Druckkammereffektes einen Lautstärkeabfall von 12db/Oktave haben. Wenn dieser Abfall konstant und die Bedingungen ideal wäre, wären theoretisch lineare 1Hz realisierbar. praktisch aber gibt es so einen idealen Raum nicht.



Die zweite Raummode:



Bei dieser Raummode hat man in der Mitte zwischen den Wänden ein Druckmaxima, dafür aber bei 1/4 Abstand zu den Wänden hat man dann das Schnellmaximum, bzw. Druckminimum.

Die zweite Raummode wird folgendermaßen berechnet:

Frequenz = Schallgeschwindigkeit / Raumabmessung

also ähnlich wie die erste, nur ohne die Verdoppelung der Raumabmessung.





Kommen wir zum entscheidenden Teil:

Die akustisch sinnvollsten Möglichkeiten der Subwooferplatzierung:


WICHTIG: ALLE NACHFOLGENDEN BETRACHTUNGEN GELTEN AUSSCHLIEßLICH FÜR EINEN QUADERFÖRMIGEN RAUM, BZW ZU TEILEN AUCH FÜR RÄUME MIT DACHSCHRÄGEN, AUF KEINEN FALL ABER FÜR RÄUME MIT NICHT ZUEINANDER PARALLELN WÄNDEN.

DIE perfekte Position für einen Subwoofer gibt es leider nicht, denn hier spielen sehr viele Faktoren rein, u.a. der Hörplatz und die Beschaffenheit des Raumes. uvm.

Grundsätzlich gilt:
wenn ein Subwoofer direkt an eine Wand gestellt wird, dann prägen sich die Raummoden maximal aus, d.h. die Intensität der stehenden Wellen wäre maximal. Das liegt daran, weil der Subwoofer nun durch die Rückwand eine saubere Schallwelle in eine Richtung des Raumes ausstrahlt und diese Schallwelle dann allein zwischen den Wänden hin und her pendelt und dabei für die Ausprägung der Raummoden sorgt.

Schiebt man nun den Subwoofer weiter in den Raum hinein, dann werden die nach hinten abgestrahlten Wellen nicht sofort wieder reflektiert um sich dann zu den nach vorn abgestrahlten hinzuzufügen, sondern sie kommen zeitversetzt hinterher. Dadurch entstehen die stehenden Wellen an beiden Wänden zu unterschiedlichen Zeitpunkten und gleichen sich damit gegenzeitig etwas aus.
Dieser Effekt tritt ideal in dem Schnellemaximum einer Raummode auf. Würde man nun also z.B. den Subwoofer in die Mitte vom Raum stellen, dann würden sich die Anteile bei der ersten Raummode gegenseitig aufheben und die erste Raummode sollte im Idealfall nicht mehr hörbar sein .
Problem ist nun aber, das in der Mitte vom Raum von der 2. Raummode ein Druckmaximum ist. Dadurch, dass bei der 2. Raummode nämlich eine komplette Welle in den Raum passt, erreichen sich nach der Reflektion zwei gleichartige Wellenberge, wohingegen bei der ersten Raummode ein Wellental auf den vom Subwoofer neu erzeugten Wellenberg trifft und damit die stehende Welle nicht entstehen kann.

Damit nun also bei der zweiten Raummode der Subwoofer diese nicht anregen kann, muss dieser hier also nun ebenfalls wieder im Schnellmaximum stehen, welches nun bei 1/4 Wandabstand ist. An dieser Position kann nun die 2. Raummode nicht mehr entstehen, dafür aber wird nun wieder die 1. Raummode zum Teil angeregt.
Da nun aber die 2. Raummode fast immer im relevanteren Frequenzbereich liegt, orientiert man sich daher bei der Aufstellung vorrangig auf die 2. Raummode.

Somit können wir schlussfolgern, dass man einen Subwoofer zur Vermeidung der wichtigsten Raummoden an einer der folgenden Stellen im Raum aufstellt:



die Linien haben alle 1/4 der jeweiligen Raumabmessung Abstand zu den Wänden. Bei einem 4*4m Raum wäre es dementsprechend am einfachsten, der Subwoofer würde 1m von den Wänden entfernt stehen.
Wenn der Subwoofer so steht, sollten 2 Raummoden relativ gering angeregt werden, in dem Fall wären es die Quer- und Längsmode vom Raum.
Da die Decke und der Boden meist ebenfalls parallel zueinander sind, gibt es hier die gleichen Effekte, aber in den meisten Fällen ist Verhältnis von Raumhöhe und Kopfhöhe so günstig, das man dem keine weitere Beachtung schenken muss. Sollte es dennoch Probleme geben, gelten alle Gesetzmäßigkeiten natürlich auch für die vertikale Richtung.


Da auf diese Weise aber dennoch die Raummoden (vor allem die erste, aber auch die dritte zum Teil) angeregt werden, kann man mit einem Subwoofer niemals eine richtig saubere Wiedergabe erreichen.
Aus diesem Grund gibt es die Möglichkeit, mehrere Subwoofer zu verwenden:


Aufstellung mehrerer Subwoofer:

Wenn man durch Probleme mit Raummoden mehrere Subwoofer verwenden möchte, muss man folgendes beachten:
- es müssen IDENTISCHE Subwoofer sein, da verschiedene Modelle teilweise gravierende Unterschiede im Frequenzgang, aber vor allem auch in der Phasenlage haben, d.h. die Frequenzen werden nicht zum exakt gleichen Zeitpunkt abgestrahlt, sondern können teilweise später oder früher rauskommen.
- Die Subwooferanzahl ist immer ein Vielfaches von 2 (2,4,8,16), eine andere Anzahl wäre (eingeschränkt) nur mit einem SBA/DBA realisierbar, auf das ich gleich eingehen werde.




normale Subwoofer (d.h. keine Dipol Subs) haben eine kugelförmige Abstrahlung. D.h. man kann den Subwoofer als Punkt ansehen und der Tieftonschall wird gleichmäßig in jede Richtung des Raumes abgestrahlt. D.h. es ist erstmal völlig belanglos, wie rum der Subwoofer dasteht.
Da er nun aber auch kugelförmig abstrahlt, kann man nicht beeinflussen, dass alle Raummoden im Raum angeregt werden, da man den Schall nicht von bestimmten Wänden weglenken könnte. Dies kann man nun aber mithilfe von mehreren Subwoofern erreichen. Denn sobald man auf einer Raumseite mehrere Subwoofer aufstellt, werden diese in einem bestimmten Frequenzbereich kohärent arbeiten, was bedeutet, das nicht zwei getrennte Schallwellen entstehen, sondern es entsteht eine große Welle, welche im Bereich zwischen den Subwoofern die Kriterien einer ebenen Welle erfüllt. ebene Wellen haben in einem Raum den entscheidenden Vorteil, dass wenn sie selbst so breit wie der Raum sind, keine Querverlaufenden Reflektionen mehr erzeugen, sie verlaufen parallel zu den Seitenwänden, wodurch man zwischen diesen Wänden keine stehenden Wellen mehr hat, und zwar bei allen relevanten Raummoden zwischen diesen Wänden.
So sieht eine ebene Welle von oben aus betrachtet aus:



In diesem Bild stehen die Subwoofer aber wieder direkt an der Vorderwand vom Raum, wodurch die längsverlaufenden Raummoden maximal angeregt werden. Des Weiteren ist die ebene Welle nur in einer Dimension vorhanden, wenn man von der Seite draufschauen würde, würde es wie vorher aussehen: in der vertikalen hat man immer noch eine Schallabstrahlung in alle Richtungen, wodurch auch die vertikale Raummode noch voll angeregt wird.


Das SBA (Single Bass Array)

Damit nun also auch in der vertikalen eine ebene Welle entstehen kann, muss man nun das ganze so erweitern, dass man an der Vorderseite vom Raum insgesamt 4 Subwoofer anbringt. Von vorn betrachtet sieht es dann exakt so aus, wie auf der Skizze mit den 4 grünen Punkten: alle 4 Subwoofer haben 1/4 der jeweiligen Raumdimension Abstand zu den Seitenwänden. Dies hat aber einen anderen Grund: Die 4 Subwoofer arbeiten zusammen wie ein großer Subwoofer, unterhalb einer bestimmten Frequenz (Abstand der Subwoofer = Lambda/2 ), da die Seitenwände aber im Idealfall schallhart sind, wird der Schall von den Wänden so zurückreflektiert, als würde hinter der Wand noch ein weiterer Subwoofer arbeiten. D.h. für die Subwoofer sind die Seitenwänden wie Spiegel. Dies hab ich in der Skizze durch einen orange-farbenen Subwoofer hinter der Wand gekennzeichnet.


D.h. die Abstände der Subwoofer untereinander errechnet man bei einem SBA folgendermaßen (n ist die Anzahl der verwendeten Subwoofer)

Abstand_SubSub = Raumabmessung / n

Und der Abstand zu den Seitenwänden

Abstand_Seite = Raumabmessung / (n*2)


Wenn man nun also auf diese Art und Weite 4 oder mehr Subwoofer (Die Anzahl MUSS so gewählt werden, dass es in 2 Richtungen symmetrisch ist, also 4 (2*2), oder 6 (2*3), oder 8 (2*4), oder 12 (3*4) usw.) als Single Bass Array an der Vorderwand montiert, hat man bis zu der Frequenz Abstand_Subs = Lambda/2 eine ebene Welle, wodurch vertikale und querverlaufende Raummoden in diesem Frequenzbereich entstehen können.
Dadurch hat man nur noch in eine Richtung die Raummode. Da man das SBA aber theoretisch auch mit 1/4 Abstand zur Vorderwand aufstellen kann (praktisch schon wohl kompliziert durchzuführen), würde man den Bassbereich fast ideal haben, aber es geht noch viel mehr:


Das DBA (Double Bass Array)

wenn es schon ein einfaches Bass Array gibt, müsste es ja auch ein doppeltes geben. Richtig.

Wie funktioniert das aber genau:
man hat vorn im Raum ein SBA wie oben beschrieben und an der Rückwand noch mal genau das gleiche. Das vordere SBA erzeugt die Schallwellen, welche als ebene Welle durch den Raum schreiten. Normalweise würde diese nun an der Rückwand reflektiert werden und damit eine stehende Welle erzeugen. Bei einem DBA wird aber an der Rückwand genau zu dem Zeitpunkt, wo die Schallwelle hinten eintrifft, eine in der Phase gedrehte, identische Schallwelle erzeugt. Phase gedreht heißt, dass das Signal an sich genau das Gleiche ist, nur das Wellenberg und Wellental umgedreht wurden. Dadurch überlagern sich beide Signale, und da sie genau entgegengesetzt sind, löschen sie sich im Idealfall komplett aus, wodurch keine Schallwelle mehr zurückkommt und womit keine stehende Welle entstehen kann.
Der hintere Teil von einem DBA ist also rein zur Schallvernichtung zuständig und trägt nichts zur Lautstärke oder so bei.
Nur benötigt man dafür eine Elektronik, die das hintere SBA einzeln ansteuern kann, und zwar zeitverzögert und mit einer Phaseninvertierung.


BEI EINEM DBA IST ES ZWINGED VORRAUSSETZUNG, DAS DER RAUM QUADERFÖRMIG IST.
Des Weiteren müssten die beiden SBAs DIREKT einmal an der Vorderwand und einmal an der Rückwand vom Raum stehen. Hier zählt: je geringer der Abstand der Subs zu den Wänden, desto besser.
Außerdem MÜSSEN das hintere und das vordere SBA absolut IDENTISCH sein, was in Betracht auf die Aufgabe auch logisch sein sollte, denn um das Signal des vorderen SBAs auszulöschen, muss das hintere SBA ein identisches Signal erzeugen, damit es seine Funktion auch richtig erfüllen kann.


Natürlich kann man ein DBA auch nur mit 4 Subwoofern aufbauen, welche dann entweder am Boden stehen, oder in der Mitte der Vorderwand hängen, nur ist hier dann halt zu beachten, dass halt die vertikalen Raummoden nicht beeinflusst werden und auch funktioniert die Auslöschung so gut wie überhaupt nicht, denn wenn man so ein 2*2 DBA von der Seite betrachtet, dann treffen da 2 Kugelwellen zusammen und überlagern sich zwar, nur sehr unvollständig und ungleichmäßig.
Daher sind für ein richtig funktionierendes DBA mindestens 8 Subwoofer notwendig.





Multisubwooferanordnungen
Wenn ein SBA oder DBA nicht realisierbar ist, oder der Raum nicht die Form dazu hat, dann kann man auch mit mehreren Subwoofern dennoch ein gutes Ergebnis erreichen.
Bei einer Multisubanordnung ist vor allem die Variante mit 4 Subwoofern die am besten geeignete. Diese 4 Subwoofer stellt man entweder wie recht weit oben in der ersten Skizze zur Aufstellung der Subs mit den 4 grünen Punkte, genau auf diese Stellen, also immer 1/4 Abstand zur Wand auf. Dadurch regt jeder Subwoofer für sich zwar die Raummoden an, aber da die stehenden Wellen zu unterschiedlichen Zeiten ausgeprägt werden, heben sich die Effekt fast komplett auf. Man kann das ganze auch als liegendes SBA ansehen, nur da die Wirkfrequenz meist sehr tief liegt durch die Raumabmessungen, funktioniert es selten wie ein SBA.

Weitere Möglichkeit für 4 Subwoofer wäre die Platzierung in dem Mittelpunkten aller 4 Wände.





Ausnahmen bei der Subwooferaufstellung


Es gibt Subwoofer, die von ihrer Lautstärke her so dimensioniert sind, dass sie nur mit dem zusätzlichen "Roomgain" durch die Raummoden ihren Pegel erreichen können.
Denn wenn man selbst an der Wand sitzt (idealen Hörplatz werd ich gleich noch darauf eingehen), erzielt man mit einem in der Ecke stehenden Subwoofer bis zu 9dB mehr Lautstärke (jedes Druckmaximum einer Raummode ist 3dB lauter als das Originalsignal, wenn sich mehrere Raummoden überlagern, können bis zu 9dB mehr Pegel herauskommen). Dies ist aber nur bedingt zu empfehlen. Beim Kauf des Subwoofers sollte man als möglichst darauf achten, das er nicht für eine Ecke konzipiert wurde, was häufig allein schon durch die Größe erkennbar ist.



Des Weiteren gibt es auch noch Dipolsubwoofer. Diese Subwoofer besitzen ein sehr kleines Gehäuse, mit dafür großer Membran, welche durch seitliche Schlitze hinten und vorne offen liegt. D.h. so ein Subwoofer ist eigentlich fast ein akustischer Kurzschluss, da es kein Gehäuse gibt, dass die Membran luftdicht einschließt. Aber ein Dipolsubwoofer hat den Vorteil, dass er nicht Kugelförmig abstrahlt, sondern in Form einer Doppelkeule. Denn er strahl in beide Richtungen zueinander gegenphasige Schallwellen ab, welche sich im Bereich neben dem Subwoofer sofort gegenseitig aufheben. Das was übrig bleibt, verteilt sich zwar im Raum, aber sobald es das erste mal reflektiert wurde, trifft der Schall wieder auf die gegenphasige Schallwelle von der anderen Wand, wodurch sie sich wieder aufheben. Dadurch können die Raummoden gar nicht erst angeregt werden.
Nachteil dieser Konstruktion ist aber, dass der erreichbare Pegel deutlich geringer ist wie bei herkömmlichen Subwoofern und man kann den Subwoofer nicht einfach irgendwo hinstellen, sondern man muss aufpassen, dass mindestens eine Öffnung in die eigene Richtung zeigt und das er nicht zu nah an einer Wand steht. Idealerweise steht so ein Dipolsub nicht weiter als 1-2m vom Hörer entfernt.





Auswahl des Hörplatzes

Wenn man nun für seine Verhältnisse eine Möglichkeit gefunden hat, einen oder mehrere Subwoofer aufzustellen, dann ist es immer noch entscheidend, wo man sich hinsetzt.
In den meisten Haushalten ist der Hörplatz in der Regel an der Rückwand. Genau hier aber hat man natürlich von allen stehenden Wellen die Druckmaximums. D.h. vor allem im Bassbereich wird man eine deutliche Überbetonung haben (welche meist als positiv empfunden wird).
Ein Nachteil im Bassbereich ist nun aber, dass Tieftonschallwellen lange brauchen, eh sie abgeklungen sind. D.h. gerade im Druckmaximum wird es lange dauern, bis ein Ton leiser wird, wenn kurz darauf ein gleichartiger Ton nachkommt, überlagert er sich noch mit dem alten, was dann zum Dröhnen führt.
Wenn man durch eine geschickte Aufstellung die Raummoden größtenteils minimiert hat, sollte das Dröhnen an der Rückwand weniger werden, aber dennoch ist dieser Platz zur hochwertigen Basswiedergabe nicht optimal.

Problem ist nun, dass man in der Mitte vom Raum ein Schalldruckminimum von der ersten Raummode hat, wenn man sich also hier hinsetzen möchte, müssen schon 2-4 Subwoofer im Einsatz sein, damit man überhaupt noch was hört.
Auch bei 1/4 Raumlänge von der hinteren Wand aus hat man wieder ein Minimum. Aus diesem Grunde hat sich eine Sitzposition im goldenen Schnitt als gut erwiesen, welcher bei 38% Abstand vor der Rückwand liegt. Hier klingt der Bass zwar nicht mehr so phänomenal wie an der Rückwand, dafür aber hat man deutlich weniger Probleme mit Dröhnen und auch der Schalldruckverlauf der Frequenzen ist homogener.

Es ist zwar auch weit die Meinung vertreten, dass man sich an die Rückwand setzen kann, und mithilfe eines Equalizers den Frequenzgang einfach so anpasst, das alles wieder glatt ist, nur dadurch gehen dann die Töne verloren, die nur ganz kurz angespielt werden oder so. Denn wenn ein Ton nur so kurz dauert, dass es gar nicht erst zu einer stehenden Welle kommen kann, dann ist er dennoch durch den EQ leiser gemacht und dadurch u.U. nicht mehr hörbar.

Des Weiteren kann man direkt an einer Wand nur schwer ein Surroundsystem realisieren, weshalb man diese Position also wenn möglich meiden sollte.


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Funktionsweise von Absorbern und Diffusoren

poröse Absorber

Ein poröser Absorber sieht im Querschnitt ähnlich aus wie ein Schweizer Käse (einer mit sehr vielen Löchern). Er hat extrem viele kleine Hohlräume, die miteinander verbunden sind. Dadurch kann durch den Absorber Luft hindurchströmen. Nur ist es so, das diese Löcher in der Gesamtfläche kleiner sind wie die Fläche vom Absorber selbst, wodurch die durchströmende Luft ihre Strömungsgeschwindigkeit erhöhen muss um durchzukommen.
Da eine Oberfläche immer bremsend wirkt, werden die Luftmolekühle im Absorber durch dessen extrem große Oberfläche sehr stark abgebremst.

Das Bremsen der Luftmolekühle an einer Oberfläche kommt sogar an einer normalen Wand zustande. Der Grund dafür ist nicht nur Reibung! Sondern: Wenn sich Schallwellen ausbreiten, besteht das ganze ja auch Druckunterschieden. Mal ist der Druck höher als normal und mal tiefer.
Erinnern wir uns an die Thermodynamik: Wenn ein Gasvolumen komprimiert wird, erwärmt es sich, wenn es dekomprimiert wird, kühlt es sich ab. Aus diesem Grund funktioniert auch z.B. Kühlspray, obwohl es vorher gar nicht kalt war.

Diese Temperaturunterschiede können im freien Raum sich ganz normal ausprägen. Wenn jedoch eine Schallwellen in der Nähe einer Oberfläche verläuft, dann gleicht die Oberfläche den Temperaturunterschied aus und der Druckunterschied kann nicht voll aufgebaut werden. Durch diesen Effekt sinkt die Schallschnelle in der Nähe einer Oberfläche. Je größer diese Oberfläche ist (Poren usw.), desto dicker ist die Schicht, in der die Schallschnelle gebremst wird. Dieser Effekt wird weiter unten noch bei den Diffusoren wichtig sein.

Die Schallausbreitung an einer Wand sieht ungefähr so aus:



Man sieht schön, wie die Schallschnelle zur Wand hin abnimmt.
Das mit den Temperaturunterschieden klingt für manche jetzt sicher so, als müsste man das auf der Haut fühlen. Bei den verhältnismäßig extrem niedrigen Druckunterschieden sind aber auch die Temperaturunterschied so minimal, dass der Mensch diese nicht fühlen kann, vor allem nicht, wenn sich die Temperatur mehrere tausendmal in der Sekunden ändert.
Wenn hingegen die Lautstärke deutlich über die Schmerzgrenze (>160dB) hinübergeht, ist ein Effekt bekannt, dass die Luft nebelig werden kann durch Kondenswasser.


Da nun ein Absorber durch seine Poren innen eine extrem große Oberfläche ist, ist dementsprechend auch seine Dämpfung sehr hoch, abhängig von der Porendichte.
Die ist auch das Hauptmerkmal eines porösen Absorbers: seine innere Oberfläche, je kleiner und je mehr Poren er hat, desto besser ist er in der Wirkung. Unter den Schaumstoffen ist Basotect ((c) - durch die Firma BASF) das Material mit der höchsten Porendichte.


Bei einem porösen Absorber ist nun aber nicht nur die Dämpfung durch die Temperaturunterschiede wichtig, sondern wenn die Luft durch den porösen Absorber durchströmt, dann ist ja die Öffnungsfläche der Löcher immer kleiner wie die Gesamtfläche des Absorbers, dadurch muss sich die Luftströmung (im Bereich der Schallschnelle müssen die Luftteilchen sich von einem Ort zum anderen Bewegen, weswegen es hier als Strömung bezeichnet wird) durch einen kleineren Querschnitt „quetschen“, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Durch die große innere Oberfläche eines Absorbers „reiben“ die Luftteilchen an den Wänden und verlieren einen Teil ihrer Bewegungsenergie, indem sie sie als Wärme an den Absorber abgeben.
Aber keine Angst, die dabei abgegebene Wärme ist so gering, dass keine Erwärmung erkennbar werden würde.

Hier ist eine modellhafte Ansicht vom Raylight Modell (dies ist eine stark vereinfachte Darstellung eines porösen Absorbers):





Wo wirkt der poröse Absorber am besten?

Da dieser durch deine Oberfläche auf die Schallschnelle wirkt, muss sich der Absorber auch entsprechend im Bereich der größten Schallschnelle befinden. Wie ich am Anfang des Artikels dargelegt habe, befindet sich das Schnellemaximum immer bei 1/4 Lambda vor der Wand, aufgrund der Bildung einer stehenden Welle.

Idealerweise befindet sich auch ein Absorber in diesem Bereich. Wenn man einen Absorber direkt an der Wand anbringt, bringt er nur sehr wenig.
Um jetzt herauszufinden, wie dick ein poröser Absorber sein muss, und wie weit man ihn von der Wand entfernt befestigen sollte, muss man eine untere Frequenz festlegen:
Da für die volle Wirkung der Absorber im Schnellemaximum der unteren Frequenz sein muss, rechnet man also den Abstand dieses aus:

z.B. 400Hz als untere Frequenz:

d = 344 / (400 * 4)
= 0,21m = 21cm

Um also bei 400Hz noch eine maximale Wirkung zu erzielen, müsste die Vorderseite vom Absorber 21cm von der Wand entfernt sein. Da ein Absorber im Druckmaximum nicht viel Effekt erzielt, wird aber keine 21cm dicke Platte benötigt, sondern es reicht bereits die Hälfte dieser Dicke, da ab 1/8 Lambda die Schallschnelle keine nennenswerte Größe mehr hat.
Für 400Hz als untere Wirkfrequenz sind also 10cm Absorber notwendig, die mit einem Abstand von 10cm vor der Wand hängen.

Jetzt werden sicher einige sagen wollen, dass bei den Verkäufern von porösen Absorbern teilweise ganz andere Zahlen stehen. Diese Werte sind aber seltenst auch nur annährend korrekt, wie ich bisher mitbekommen habe. Man muss auch darauf achten, wie hoch der Wirkungsgrad angegeben ist. Ich verwende bei mir z.B. 10cm Platten, welche 10cm vor der Wand hängen, und die Wirkung ist gut messbar bis 400Hz und darunter fällt sie schnell ab.

Wenn man seinen Hörraum also mit porösen Absorbern ausrüsten will, sollte man sich nicht auf die Angaben der Hersteller verlassen. Mit der Formel hier ist es deutlich zuverlässiger.
Wie man nun aber auch deutlich sieht, bekommt man mit porösen Absorbern beim besten Willen keine Absorption im Tieftonbereich hin, selbst Kantenabsorber sind da Wirkungslos, wie man leicht errechnen kann und auch bei anderen Usern in den Erfahrungen nachlesen kann.

Aus diesem Grund gibt es für den Tieftonbereich zwei andere zweckmäßige Absorbervarianten:



Plattenabsorber

Dies ist einfach ein Kasten, der auf der Vorderseite mit einer schwingfähigen Platte versehen ist und nach außen Luftdicht sein sollte.
Ein Plattenabsorber, oder auch Plattenabsorber genannt, wirkt nicht auf die Schallschnelle wie ein poröser Absorber, sondern er wird direkt auf der Wand montiert und reagiert auf die Druckänderung.
Wenn eine Schallwelle auf einen Plattenresonator trifft, dann wird diese Schwingung zum Teil von der Platte aufgenommen (sie schwingt mit) und nach hinten abgestrahlt. Den meisten Schall nimmt der Plattenabsorber bei seiner Resonanzfrequenz auf. Überhalb und unterhalb dieser Frequenz wird seine Wandimpedanz immer höher, wodurch die Schallwellen mehr und mehr reflektiert werden. Das hinter dem Plattenabsorber liegende abgeschlossene Volumen dient als Feder und mithilfe einer Füllung durch einen porösen Absorber kann die vom Resonator aufgenommene Schwingung zum Teil weil gedämpft werden, wobei die meiste Energie durch das Schwingen der Platte dem Schall entzogen wird.


Zur Berechnung empfehle ich diese Seite:
http://www.mhsoft.nl/Helmholtzabsorber.asp



Helmholtzresonatoren

Die Funktionsweise eine Helmholtzresonantors ist die gleiche wie das Bassreflexrohr bei einem Lautsprecher, nur in der Wirkung umgekehrt:
Es ist ein Feder-Masse System, wobei das Luftvolumen in dem Resonator die Feder ist und das Luftvolumen im Rohr die Masse. Wenn nun eine Schallwelle auf den Resonator trifft, dann muss sie die Masse von dem Rohr überwinden, wenn die Frequenz nicht passt, wird die Schallwelle reflektiert, wenn man eine Schallwelle mit der Resonanz von dem Feder Masse System auftrifft, wird die Luftmasse im Rohr zum Schwingen angeregt und durch das Luftvolumen im Resonator gedämpft. Dadurch, dass das Rohr relativ klein ist, erhöht sich auch die Schallschnelle sehr stark im Bereich des Rohres, welches gleichzeitig selbst bremsend auf die Schallschnelle wirkt, nach dem gleichen Prinzip wie bei porösen Absorbern.

Der Wirkungsgrad eine Helmholtzresonators ist stark abhängig von seinem Volumen und der Mündungsfläche der Rohre.

Zur Berechnung des Helmholtzresonators bitte nicht den oben genannten Link nutzen, dieser enthält eine fehlerhafte Berechnung des Helmholtresonators.

Hier ist ein Link mit weiteren Informationen über Helmholtzresonatoren:
http://forum.studiot...ht=helmholtz+qfactor

Nachfolgend die Berechnungen eines Helmholtzresonators (danke an „Kea Audio“ für diesen Text):

f = 172,71 * Wurzel(A/(V * (l + (0,732 * D))))

mit
f = Frequenz [Hz]
V = Volumen des Resonators [in Liter]
l = Länge des Kanals in [in cm]
A = Fläche des Kanals ( = pi * r*r)
D = Durchmesser der Fläche des Kanals [in cm]
pi = 3.1416

Dies ist die Standardformel zur Berechnung, wobei der Wert von 0,732 empirisch ermittelt ist und stark von der Form des Kanals abhängt und hierbei auch nur für runde Rohre so gilt. Bei Schlitzen ist der Wert etwas zu ändern.


Der Text sagt: "Die größte Schallabsorptionsfläche A bei gleichzeitiger Breitbandigkeit erreicht man, wenn das Resonatorvolumen V möglichst groß gewählt wird."
Da die Güte reziprok zur Bandbreite ist und die Güte laut obiger Formel mit wachsendem Volumen auch größer werden würde, wäre demnach die Bandbreite mit wachsendem Volumen kleiner. Dies widerspricht sich offenbar.

Die Bandbreite wird tatsächlich größer mit wachsendem Volumen, jedoch sollte keine Abmessung größer als die Wellenlänge sein. Wenn möglich sogar kleiner als lambda/4.
Die Bandbreite wird aber auch größer durch Verluste, sei es durch Undichtigkeiten im Gehäuse, sowie Reibungsverluste im Rohr. Erstere sind jedoch wesentlich entscheidender und werden in obiger Formel überhaupt nicht eingeschlossen, sodass diese Werte für Q in der Praxis nie erreicht werden können (selbst wenn man die Formel umdrehen würde).
In der Praxis lässt sich die Güte nicht errechnen sondern muss messtechnisch erfasst werden


Lochplattenresonatoren

Ein Lochplattenresonator ist im Prinzip ein Zusammenschluss mehrerer Helmholtzresonatoren. Dabei hat man ein angeschlossenes Volumen und viele Resonatoröffnungen. Die Wirkung des Lochplattenresonators ist nun abhängig von der Anzahl der Öffnungen sowie deren Querschnitt, wodurch sich ein prozentualer Flächenanteil ergibt. Durch Variation dieser drei Parameter sowie des dahinterliegenden Volumens wird der Resonator abgestimmt.

Berechnung des Lochplattenresonators erfolgt ebenfalls am besten über diese Seite:
http://www.mhsoft.nl/Helmholtzabsorber.asp






Da Schall nicht nur immer absorbiert werden soll, gibt es auch Möglichkeiten, die Raumakustik zu optimieren, ohne den Schall zu absorbieren:


Diffusoren

Ein Diffusor ist eine definierte Unebenheit der Wandoberfläche. Durch diese Unebenheit soll der Schall diffus zurückreflektiert werden, damit das Diffusschallfeld möglichst gleichmäßig wird und damit den Direktschall nicht verfärbt, ohne jedoch auf die Räumlichkeit und Livehaftigkeit eines Raums zu verzichten.

Wichtig bei der Betrachtung von Diffusoren sind die Gesetzmäßigkeiten der Reflektion und Beugung von Schallwellen.
Wenn eine Schallwelle auf ein Objekt trifft, dass sehr groß im Vergleich zu Wellenlänge ist, dann wird die Schallwelle nach dem Gesetz Einfallswinkel = Austrittswinkel reflektiert. Ist dieses Objekt hingegen gleich oder kleiner der Wellenlänge, dann wird die Schallwelle um das Objekt herumgebeugt, wobei an den Kanten des Objektes neue Kugelwellen entstehen, welche für verschiedene Interferenzen bei der Beugung sorgen (durch diese Überlagerung verschiedener neuer Kugelwellen verändert sich auch der Schall auf dem Weg um den Kopf in das Ohr hinein, wodurch Richtungshören überhaupt erst möglich wird).

Diese Reflektionseigenschaften treffen natürlich auch auf Unebenheiten an der Wand zu:



d ist hierbei die Größe eines der Elemente.
Im linken Teil ist die Größe einer der Unebenheiten deutlich kleiner als die Wellenlänge:
- für die Schallwellen ist diese Unebenheit nicht "sichtbar", die Reflektion verhält sich wie an einer glatten Oberfläche
Im mittleren Teil ist die Größe einer Unebenheit vergleichbar groß wie die Wellenlänge:
- an den Unebenheiten treten Beugungseffekte auf, die Kanten sind der Ausgangspunkt von Kugelwellen, der Schall wird diffus und unregelmäßig reflektiert
Im rechten Teil vom Bild ist die Unebenheit deutlich größer als die Wellenlänge:
- jede einzelne Fläche der Unebenheit ist als ein Spiegel anzusehen, der die Welle nach dem Reflektionsgesetz reflektiert


Dies ist auch der Funktionsgrundsatz von Diffusoren: es wird eine untere Wirkfrequenz festgelegt, welche die Größe der einzelnen Elemente bestimmt. Dabei ist die Wellenlänge der unteren Wirkfrequenz gleich der Größe eins der Elemente.

Weiterhin funktionieren Diffusoren aber auch im geringen Anteil als Absorber, so unwahrscheinlich es auch auf den ersten Blick klingen mag:
weiter oben hatte ich angesprochen, dass in der Nähe einer Wand der Temperaturunterschied der Schallwellen ausgeglichen wird, wodurch eine dünne, Verlustbehaftete Grenzschicht vor der Wand entsteht. Diese Schicht wird umso dicker, je größer (tiefer) die Unebenheiten der Wand sind, wodurch auch tiefere Frequenzen stärker beeinflusst werden. Es muss allerdings hinzugefügt werden, dass der Wirkungsgrad einer solchen Schicht nicht sehr hoch ist, wenn jedoch ein Diffusor z.B. eine Tiefe von 40cm hat, dann kann man im Bereich von 200-400Hz mit einer geringen Bedämpfung rechnen, deren Wirkungsgrad in etwa zwischen 0,1 und 0,2 liegt.
Wie mal also sieht, ist auch hier eine Entfernung von 1/4 Lambda zur Wand notwenig, um eine absorbierende Wirkung auf eine Frequenz zu erhalten.



Welche Arten von Diffusoren gibt es?


Eindimensionale Diffusoren



Dieser Diffusor besteht aus mehreren vertikalen Elementen, welche alle eine unterschiedliche Höhe haben. Da bei diesem Diffusor die Elemente nur eine Dimension als charakterisierende Abmessung haben (die Höhe der einzelnen Elemente ist bereits durch den Begriff Diffusor fest definiert und zählt daher nicht als bezeichnende Dimension), nennt man diesen Diffusor "Eindimensional".
Die Schallwellen werden bei dieser Art von Diffusor in nur einer Ebene diffundiert (normalerweise die horizontale Ebene).



Zweidimensionale Diffusoren



hier sind die Elemente in zwei Dimensionen angeordnet, d.h. man hat viele vertikale Elemente mit einer quadratischen Grundfläche. Die Schallwellen werden bei diesem auch als Schroeder, oder Skyline Diffusor bekannten Diffusor in zwei Ebenen diffundiert.



Es sollte auch ersichtlich sein, das per Definition ein dreidimensionaler Diffusor gar nicht möglich ist, da dieser nun die Schallwellen in drei Ebenen verteilen müsste, was in einem dreidimensionalen Raum gar nicht möglich ist.


Die Abmessung der einzelnen Elemente berechnet man durch die untere gewünschte Frequenz, die Höhe der einzelnen Elemente bestimmt hauptsächlich den Grad der Diffusion, sowie zu geringeren Teilen die Absorption unterhalb der Wirkfrequenz.


Zur Berechnung der Elementgrößen:

Die Breite der einzelnen Elemente bestimmt die obere wirksame Frequenz, und zwar ist die Breite eines Elementes Lambda/2. Wobei der Diffusor auch darüber wirksam ist, nur da die einzelnen Flächen mehr als Spiegel wirken und weniger Kugelwellen durch Beugungseffekte erzeugt werden, ist die Diffusionswirkung geringer.
Die maximale Tiefe der Elemente bestimmt die untere Frequenz, und zwar ist ebenfalls Lambda/2 der gewünschten unteren Frequenz die maximale Tiefenabmessung
Die Gesamtabmessung ergibt sich aus der Anzahl der einzelnen Elemente, je größer die abgedeckte Fläche ist, desto höher ist der Wirkungsgrad.
Ein Skyline Diffusor besteht in der Regel aus 12*12 Elementen.

Auf diesen Seiten findet ihr Möglichkeiten mit dem ein Skyline Diffusor berechnet werden kann:
http://www.mhsoft.nl/DiffusorCalculator.html
http://www.mhsoft.nl/Diffusor2.asp
http://www.acoustics.salford.ac.uk/student_area/bsc3/room_acoustics/diffuser_design.pdf


Um die Breitbandigkeit eines Diffusors zu Erhöhen, bietet es sich an, einen sehr großen Diffusor für den unteren Frequenzbereich zu erschaffen und auf dessen "Spitzen" setzt man dann viele kleine Diffusoren auf.
Z.B. so:



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Grundsätze zur akustischen Gestaltung eines Hörraums

Hier muss unterschieden werden zwischen Stereo und Surround, weil beide Wiedergabearten unterschiedliche Anforderungen an die Raumakustik stellen.

Alle Raumakustikmaßnahmen in dieser Beschreibung beruhen auf der Vorraussetzung, das sich die Einrichtung in einem Hörraum nach der Wiedergabe zu richten hat und das nicht eine Wiedergabelösung in einen Raum mit vorhandener Einrichtung eingerichtet werden muss.
Dies ist für eine gute Wiedergabe auch zwingend Vorraussetzung, wer nicht bereit ist, seinen Raum an die Wiedergabe anzupassen, sollte sich auch die Frage stellen, ob er überhaupt eine hochwertige Wiedergabe anstrebt.


Warum überhaupt den Hörraum akustisch optimieren?

Einige stellen sich jetzt sicher die Frage, warum die Akustik von einem Hörraum überhaupt so wichtig sein sollte.
Schauen wir uns dazu die beiden folgenden Grafiken an:



In der linken Grafik kann man erkennen, wie durch zwei dicke Pfeile dargestellt der so genannte Direktschall zum Hörer gelangt. Dies ist der Schall, den wir auch hören wollen.
Nun strahlt aber kein Lautsprecher so gerade ab, sondern je nach Frequenz zeigt er ein sehr ausgeprägtes Rundstrahlverhalten. Man braucht sich einfach nur mal hinter einen seiner Lautsprecher stellen und sich anhören, was man da hört. Es kommt sehr viel da hinten an, aber wie man sicher schnell mitbekommen dürfte, klingt es hinter dem LS sehr unausgewogen.
Dies liegt daran, weil jeder Lautsprecher ein gewisses Bündelungsmaß hat, das bedeutet: in bestimmten Frequenzbereichen wird der Schall gebündelt nach vorn abgestrahlt, in anderen Bereichen hingegen reicht die Bündelung nicht aus und es kommt sehr viel Schallanteil nach hinten.
Das ganze ist deutlich komplizierter, aber in diesem Thread will ich nicht genauer auf das Abstrahlverhalten der Lautsprecher eingehen. Es reicht für dieses Thema aus zu wissen, dass es hinter jedem Lautsprecher irgendwie anders klingt.

Das Problem ist nun, dass dieser Schallanteil, den wir da hinten hören, durch die Wände wieder zu uns an den Hörplatz reflektiert wird, wie in der linken Grafik durch die gestrichelten und gepunkteten Pfeile deutlich gemacht. Diese Reflektionen werden als Frühreflektionen bezeichnet, denn sie sind meistens innerhalb von 10ms nach dem Direktschall am Ohr, welches nicht in der Lage ist, zwei so kurz aufeinander folgende Signale zu unterscheiden. Dadurch überlagern sich diese Frühreflektionen mit dem Direktschall und es ergibt sich zum Teil ein total verbogenes Klangbild, je nachdem wie unterschiedlich die Abstrahlung vom Lautsprecher ist.

In der rechten Grafik sieht man dann, dass von dem Lautsprecher abgestrahlte Anteile auch durch die hinteren Wände wieder zum Hörer reflektiert werden. Diese Reflektionen haben aber den Vorteil, dass sie relativ unverfärbt sind, da sie von der Vorderseite des Lautsprechers stammen. Je nach Abstand zur Rückwand können sie einfach nur für ein lauteres Erscheinungsbild sorgen, oder aber auch als Frühreflektion bei größeren Abständen entweder mit dem Direktschall interferieren oder bei noch größeren Abständen erhöhen sie den Raumeindruck.

Neben den von der Vorderseite des Lautsprechers abgestrahlten Anteilen, kommen später aber auch noch die verfärbten von der Vorderwand hinzu.


Das bedeutet also, dass man in einem unbehandelten Raum von lauter Reflektionen umgeben ist, die das eigentliche Klangbild verändern. Je nach Raum kann das ganze dadurch „Livehaftiger“ wirken, aber dadurch leidet immer die Präzision, das Klanggeschehen wird undefinierbarer, die Bühnenabbildung unschärfer usw.

Um dem entgegen zu wirken, muss der Raum akustisch behandelt werden. Da Stereo und Surround unterschiedliche Anforderungen haben, werden auch beide getrennt betrachtet.


Stereo

Grundlage für eine authentische Stereowiedergabe ist das passende Stereodreieck. Ich werde hier nur kurz darauf eingehen:
-beide Lautsprecher und der Hörer bilden ein gleichseitiges Dreieck. Das heißt, der Abstand zwischen den Lautsprechern ist genauso groß, wie der Abstand der Boxen zum Hörer. Dies entspricht auch einem Winkel von 60° zwischen den Boxen, wenn man vom Hörplatz aus schaut.
-Die Lautsprecher sollten im Raum akustisch symmetrisch platziert werden. Im Idealfall versucht man rechts und links eine identische Wand zu haben, an der keine störenden Elemente sind (also rechts und links erstmal eine kahle Wand)
-Die Boxen benötigen möglichst viel Abstand zu den Seitenwänden und zur Rückwand, damit frühe Reflektionen möglichst gering in ihrer Wirkung ausfallen
-Die Aufstellung der Boxen und die Wahl des Hörplatzes unterliegt des Weiteren den Kriterien der Subwooferaufstellung, siehe dazu [URL=http://www.hifi-forum.de/index.php?action=browseT&forum_id=72&thread=1358]>dieser<[/URL] Thread zum Thema Raummoden und Subwooferplatzierung



Wenn die Lautsprecher nun also korrekt dastehen, muss die Raumakustik so angepasst werden, dass die oben beschriebenen Frühreflektionen von der Vorderwand und von der Seitenwand möglichst minimiert wird, denn da sie ein verfärbtes Klangbild haben, ohne jedoch deutlich leiser als der Direktschall zu sein, wirken sie sich besonderst negativ auf das Klangbild aus.
Diese Frühreflektionen müssten also durch Absorption bekämpft werden. Da nun aber von der Rückwand meist nützliche Anteile reflektiert werden, kann man nicht einfach den ganzen Raum dämpfen.

Aus diesem Grund hat sich ein Konzept über viele Jahre gut bewährt:

LEDE

LEDE ist die Abkürzung für Live End Dead End. Auf Deutsch: lebendiges Ende und totes Ende. Dies soll bedeuten, dass eine Raumhälfte so gestaltet ist, dass der Schall geschluckt wird und die andere Raumhälfte soll hingegen für ein Lebendigeres Klangbild sorgen.

In einem LEDE Raum wird dementsprechend also im vorderen Raumteil durch absorbierende Materialien der Anteil der Frühreflektionen minimiert.
Die Rückseite vom Raum aber wird mithilfe von Diffusoren so gestaltet, dass man keine diskreten, eventuell störenden Reflektionen von der Rückwand erhält, sondern dass ein verwischtest (diffuses) Klangbild einen besseren Raumeindruck erzeugt.

Einfach gesagt hat man in einem LEDE Raum also vorn Absorber und hinten Diffusoren.

Nur so einfach ist die Gestaltung nicht, denn es müssen einige Grundsätze beachtet werden:
-Die Absorption darf nicht zu schmalbandig erfolgen. Wenn man lediglich poröse Absorber verwendet, dann hat man keinen nennenswerten Einfluss im Tieftonbereich.
-Die Absorption sollte nicht so stark erfolgen, dass die Nachhallzeit zu tief sink. Für eine Stereowiedergabe wäre zwar im vorderen Raumteil eine Nachhallzeit von 0 ideal, weil dadurch nur noch der Direktschall zum Hörer gelangen würde und nichts das Klangbild verändern würde, nur ist ein so stark bedämpfter Raum nicht mehr angenehm zum leben, mal ganz abgesehen von den extremen Maßnahmen, die dazu notwendig wären
-Es sollte versucht werden, dass die Nachhallzeit im Bereich von 0,25-0,4sek im Bereich ab 200Hz aufwärts liegen sollte, dieser Wert wird als angenehm in den meisten normalgroßen Wohnräumen empfunden.
-Wichtig ist, dass die Nachhallzeit durch die Absorptionsmaßnahmen ab 200Hz linearisiert wird, damit unterschiedlich lang nachhallende Frequenzen das Klangbild nicht weiter beeinflussen
-Unterhalb von 200Hz kann die Nachhallzeit etwas höher ausfallen, da erstens hier die Maßnahmen komplizierter werden, aber auch der klangliche Einfluss nicht mehr so groß ist
-Mit den Diffusoren kann man hingegen nicht so viel falsch machen. Zu viele Diffusoren kann man nicht verwenden, da sie den Schall ja nicht schlucken, bzw. nur gering. Es sollte nur darauf geachtet werden, dass die untere Wirkfrequenz nicht zu weit von den 200Hz entfernt liegt, wenn man sehr viele Diffusoren verwendet.



Wo die Absorber platzieren?

Wenn eine großflächige Absorption nicht möglich oder nicht erwünscht ist, müssen die Absorber gezielt platziert werden:
-man nimmt die rechte Grafik weiter oben zur Hilfe, und überträgt sich das gedanklich auf seinen Raum: man sucht nun also die Wandbereich heraus, an denen die Frühreflektionen stattfinden.
-Hilfreich dazu ist folgende Methode: man setzt sich auf seinen Hörplatz und lässt sich von einer zweiten Person einen Spiegel an die Wand halten. Nun lässt man den Spiegel so lange verschieben, bis man vom Hörplatz aus im Spiegel einen Lautsprecher sehen kann. Diese Position ist nun die Stelle, wo ein Absorber platziert werden sollte. Das ganze wiederholt man nun solange, bis pro Lautsprecher mindestens 2 oder 3 Frühreflektionen gefunden wurden
-Wer gerade niemanden zur Hilfe hat, kann das ganze auch gedanklich machen, wie beim Billard überlegt man sich, wo ein gedachter Schallstrahl an der Wand reflektiert werden müsste, damit er am Ohr ankommt

Was viele vergessen:
Nicht nur die Seitenwände, sondern auch Decke und Fussboden haben eine Menge Reflektionsfläche für Frühreflektionen. Am Boden ist meist nur ein dicker Teppich möglich, an der Decke kann man aber meist auch dickere Absorber oder gar Platten-/Lochplattenresonatoren verwirklichen (und wenn man sich in größeren Bürogebäuden und Tagungsräumen umsieht, wird man auch meist solche Absorber an den Decken vorfinden, denn diese Maßnahmen wirken sich sehr positiv auf die Sprachverständlichkeit aus).




Die Platzierung der Diffusoren in einem LEDE Raum erfolgt nach dem gleichen Prinzip: vorrangig an den Stellen, wo ein Spiegelbild der Lautsprecher zu sehen wäre. Aber wenn es möglich ist, sollte man eine sehr viel größere Fläche mit Diffusoren versehen. Denn weiter oben habe ich geschrieben, dass man möglichst bis 200Hz herunter diffundieren sollte, was aber mit Diffusoren normaler Größe nicht erreichbar ist, da diese meist Kantenlängen von 50-60cm haben. Nun kann man aber mithilfe von mehreren solch kleiner Diffusoren einen großen Diffusor bauen, bei dem jeder kleine Diffusor ein einzelnes Element darstellt.

Wie das aussieht, ist im untersten Bild des vorherigen Abschnittest zu sehen.


Es muss jetzt aber keiner Angst haben, dass er keine gute Raumakustik hinbekommt, nur weil so was für ihn undurchführbar ist, es stellt lediglich das Optimum dar, aber auch mit weniger lässt sich schon sehr viel erreichen.


Wichtig ist, dass man überhaupt etwas an seiner Raumakustik macht, wenn man Wert auf eine authentische Wiedergabe legt.




Surround

Damit bei Stereo eine bessere Räumlichkeit entsteht, wurden im hinteren Raumteil Diffusoren verwendet.
Bei Verwendung eines Surroundsystems ist dies nun aber Kontraproduktiv. Denn im Surround sorgen die hinteren Lautsprecher dafür, dass ein authentischer Raumeindruck entsteht.
Da nun hinter dem Hörer ebenfalls Lautsprecher stehen, hat man die gleichen Probleme wie bei Stereo nun noch von hinten. Nämlich Frühreflektionen durch die Surround Lautsprecher.

Damit nun also der Surroundbereich ein authentisches Klangbild erzeugen kann, müssen auch hier die Reflektionen minimiert werden, was uns zum so genannten DEDE Raum führt. Also Dead End – Dead End.
Der Raum muss also hinten wie vorne absorbierend gestaltet werden.
Für Surround sollte wenn möglich eine so niedrige wie mögliche Nachhallzeit angestrebt werden, da bei entsprechend gutem Quellmaterial jeglicher Raumeinfluss negativ ist.
Die Grenze für die Nachhallzeit bestimmt lediglich das Wohlbefinden. Wenn 0,2sek Nachhallzeit als angenehm empfunden werden (was meistens auch der Fall ist), dann sollten diese auch realisiert werden, insofern es möglich ist.

Es gelten die gleichen Grundsätze wie bei Stereo, nur das die Betrachtungen, die bei Stereo lediglich für vorne gegolten haben, nun auch für hinten beachtet werden müssen. Man muss also für jeden Lautsprecher im Surroundsystem die Spiegelstellen an den Begrenzungsflächen finden und mit Absorbern verkleiden. Im Endeffekt läuft das bei einem 7.1 System auf eine vollflächigen Verkleidung heraus. Dies wäre das Optimum, aber es reicht auch aus, wenn man im vorderen Bereich die wichtigen Stellen und hinten nur ein paar bedämpft, um bereits sehr hochwertige Ergebnisse zu erreichen.

Wichtig ist immer, dass die Nachhallzeit einigermaßen linear gehalten wird, es ist also kontraproduktiv, wenn man Absorber einsetzt, deren Wirkfrequenz über 1000Hz liegt (Beispielsweise bei 6cm Noppenschaumstoff an der Wand), denn dadurch ist die Dämpfung hörbar ungleichmäßig und es klingt auch sehr unausgewogen.


Da man durch alleiniges Hören nicht herausfinden kann, ob die Nachhallzeit stimmt, ist es unumgänglich für eine ausgewogene und hochwertige Akustik entweder selbst zu messen, oder einen Akustiker zu Rate zu ziehen.


Nachhallzeit im Raum messen

Selber messen ist aber nicht so schwer, wie es klingen mag. Es wird folgendes Equipment benötigt:
-Ein PC mit Soundkarte
-Ein Messmikrofon
-Messsoftware.

Als Messmikrofon ist das Behringer ECM8000 sehr weit verbreitet und auch beliebt, da es im Durchschnitt sehr geringe Abweichungen im Frequenzgang hat.
Da dieses Mikrofon eine 48V Phantomspannung benötigt, braucht man einen Mikrofoneingang, der diese bereitstellen kann. Bei den meisten Soundkarten ist dies nicht der Fall. Deswegen würde man (wenn man kein Mischpult oder Mic-PreAmp hat) eine Soundkarte wie die Alesis io|2 benötigen, mit der solche Messungen möglich sind.
Als Software hat sich AudioNet Carma 2.2 (oder aktueller) etabliert.

Wenn man in der Software ist, klickt man in der Iconleiste auf „Record“, aktiviert mit „Stimulus on/off“ den Testton und verändert dann die Lautstärke solange, bis der Balken einen Ausschlag von min. 50% zeigt (maximal 90%). Sobald das geschehen ist, deaktiviert man den Testton und klickt dann auf „Record“. Es wird nun eine Messung durchgeführt, nach der automatisch das Ergebnis angezeigt wird. Im Fenster sieht man nun den Frequenzgang, den man an der Stelle, wo das Mikrofon platziert ist, hat.
Um nun die Nachhallzeit zu sehen, klickt man auf „Waterfall“ und in dem Fenster stellt man statt der -40dB, -60dB ein und klickt dann auf „Calculate“. Nun wird die Abklingzeit vom Raum dargestellt. Von links nach rechts in der Frequenzbereich von 20Hz bis 20kHz zu sehen, und von hinten nach vorn sieht man den Pegel des Signals, wie es abklingt. Je schneller die Kurve im Boden verschwunden ist, desto besser ist es.
In dieser Kurve sollte, wenn möglich, ab 200Hz aufwärts kein großer Unterschied vorhanden sein. Wenn möglich sollten in dem Bereich die Kurven in einem Rahmen von +-0,05sek im Boden verschwunden sein.
Unterhalb von 200Hz darf es um bis zu 0,3sek ansteigen zu 20Hz herunter.

Sollte all dies nicht der Fall sein, sollte man versuchen, die Absorptionsmaßnahmen in diesem Frequenzbereich zu verstärken.
Um die notwendigen Stellen im Raum zu ermitteln, kann man das Messmikro auch an anderen Stellen im Raum aufstellen, um herauszufinden, ob an der Stelle ein bestimmter Frequenzbereich länger ausklingt. Wenn dies der Fall ist, dann sollte an dieser Stelle verstärkt im betreffenden Frequenzbereich absorbiert werden.



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Ortbarkeit von tiefen Frequenzen

Ab und zu ließt man von der Behauptung, Subwoofer wären in einem Heimkinosetup in ihrer Position lokalisierbar.
In diesem Abschnitt will ich darstellen, weshalb es zu einer Ortung kommen kann und was die Ursachen dafür sind.



Ortbarkeit durch zu geringe Entfernung

Bei der kugelförmigen Abstrahlung von Schallwellen, nimmt der Schalldruckpegel um 6dB je Entfernungsverdoppelung ab. Wenn man also in 1m Entfernung 100dB hat, dann sind es in 2m Entfernung bereits nur noch 94dB.
Hingegen hat man beim Sprung von 10m auf 11m nur noch eine Differenz von deutlich weniger als 1dB.

Bei unserem Gehör ist es so, dass wir allein durch unterschiedliche Pegel eine Schallquelle lokalisieren können. Nehmen wir an, der Subwoofer befindet sich 0,5m neben unserem rechten Ohr, dann beträgt der Abstand zum linken Ohr ca. 20cm, was zwar keine Verdoppelung ist, aber immerhin bedeutet dies einen Pegelunterschied von fast 3dB.
Damit ist eindeutig hörbar, dass der Subwoofer rechts ist.
Wenn hingegen der Subwoofer 10m vom Ohr entfernt steht, dann bedeuten die 20cm Unterschied gerade mal wenige zehntel dB Unterschied, was von unserem Gehör nicht mehr unterschieden werden kann, daher sollte ein Subwoofer auf dieser Entfernung nicht mehr, oder nur sehr undeutlich lokalisierbar sein.


Durch Phasenunterschiede an beiden Ohren kann hingegen das Gehirn keine Ortung durchführen, da bei Wellenlängen über 4m die Unterschiede zu gering sind.



Ortbarkeit des Subwoofers durch zu hohe Trennung

In einem Setup mit einem Subwoofer trennt man die Satelliten ab einer bestimmten Frequenz und lässt den Rest vom Subwoofer übernehmen. Im Normalfall ist es so, dass dabei der Subwoofer oberhalb dieser Frequenz mit einem 24dB/Oktave Filter getrennt wird (wobei die Satelliten nach unten oft nur mit 12dB/Okt getrennt werden, daher hier aufpassen). D.h. mit jeder Verdoppelung der Frequenz spielt der Subwoofer um 24dB leiser. Bei einer Trennung bei 100Hz würde dementsprechend 400Hz mit 48dB weniger Pegel wiedergegeben.
Dies ist auch ungefähr der Pegel, ab dem das Gehör die betroffende Frequenz nicht mehr wahrnehmen kann, wenn das Gesamtsignal entsprechend linear ist.

Da nun ab 500Hz die Ortungsfähigkeit vom Gehör anfängt (ab hier funktioniert die sog. (HRTF, Head related transfer function, Übertragungsfunktion vom Kopf, denn je nach Frequenz verändert sich der Schall auf dem Weg zum Ohr am Kopf vorbei), sollte es Ziel sein, dass alle hörbaren Anteil vom Subwoofer unterhalb dieser Frequenz bleiben.
Bei einer 100Hz Trennung wäre dieser Fall noch ziemlich sicher gegeben, nur bei 200Hz Trennfrequenz würde erst bei 800Hz -48dB gegenüber dem Signalpegel erreicht werden, wodurch ortbare Frequenzanteile vom Subwoofer vorkommen KÖNNEN (abhängig vom Signal)

Die Trennung vom Subwoofer ist aber nicht der primäre Grund, warum ein Subwoofer ortbar werden kann, denn auch bei deutlich tieferer Trennung um die 100Hz wird berichtet, dass eine Ortung möglich war.


Ortbarkeit durch hohen Klirrfaktor

gerade bei Subwoofern ist der so genannte Klirrfaktor (Tieftöner mit zu geringer Kontrolle und weicher Einspannung schwingen bei harmonischen Vielfachen der Frequenzen, bzw Aufbrechen weicher Membran in Partialschwingungen) relativ hoch, so dass es vorkommen kann, dass z.B. bei 100Hz, die mit vollem Pegel wiedergegeben werden, ein harmoisches Vielfaches bei 300Hz mit -30dB (Klirrfaktor K3 = 5%) wiedergegeben wird. Das ganze kann auch leicht noch höhere Frequenzen erreichen, da der Subwoofer ja auch noch höhere Frequenzen wiedergibt.
Diese unerwünschten Obertöne (die normalerweise nur im Signal vorkommen sollte, wo sie dann von den Hauptlautsprechern wiedergegeben werden), sind zum Teil auch abhängig von der Wiedergabelautstärke, d.h. bei sehr hohen Pegel und unterdimensionierten Subwoofern werden die Anteile an Obertönen sehr hoch, wodurch der Subwoofer in seiner Position lokalisierbar wird.



Frequenzmodulation durch Laufzeitunterschiede

Jeder kennt den Donner nach einem Blitzeinschlag. Dieser wird allgemein als sehr tief in der Frequenz angenommen, dennoch kann man den Ursprung des Blitzes erhören.
Das liegt daran, dass der Donner an sich keine Frequenz hat.
Denn wenn der Blitz in den Boden einschlägt, dann wird durch den hohen Strom die Luft extrem stark erhitzt und ionisiert. Dadurch wird zuerst der Blitz sichtbar und des Weiteren dehnt sich die Luft um den Blitz herum explosionsartig aus.
Würde man nun direkt neben dem Einschlag stehen, dann würde man nur einen extrem lauten Knall hören, mehr nicht (da man augenblicklich durch die Schockwelle / das Magnetfeld / der Spannung im Boden getötet werden würde, würde man nicht mal den Knall wahrnehmen :D ).
Je weiter weg man vom Einschlag ist, desto länger und tiefer erscheint das Donnern.

Dieser Effekt kommt dadurch zustande, weil Luftschichten unterschiedlicher Temperatur und Dichte den Schall unterschiedlich schnell leiten.
Hier eine Grafik, wie die Schallausbreitung nach einem Blitzeinschlag (linke Seite) aussieht und was beim Hörer auf der rechten Seite ankommen würde:



die Darstellung ist nicht ganz korrekt, normalerweise würde der Schall auch senkrecht nach unten verlaufen, ich habe hier ausschließlich die Ausbreitung in der horizontalen einigermaßen korrekt dargestellt. Für eine richtige Darstellung fehlt mir die dazu notwendige (teure) Simulationssoftware.


Wie man sieht, überlagern sich mehrere Schockwellenfronten und je nach Abstand hat man auch eine unterschiedliche Frequenz. Dabei kommen auch sehr viele Oberwellenanteile vor, welche dann auch für die Ortbarkeit verantwortlich sind.



Ähnlich wie bei der Schallausbreitung beim Donner, hat man auch im Raum Einflüsse, die die Schallfronten zueinander versetzt ausbreiten lassen, wodurch neue Frequenzen entstehen können.
Da im Raum aber noch extrem viele andere Einflüsse bestehen ist dieser Fakt sehr gering ausgeprägt. Vor allem durch die großen Abmessungen der Schallwellen im Tieftonbereich (100Hz = 3,44m, 20Hz = 17,2m) ist eine normale Schallausbreitung nach Einfallswinkel = Ausfallswinkel nur im oberen Frequenzbereich vom Subwoofer zum Teil gegeben.

So würde das ungefähr aussehen:


Wie man sieht kann es leicht passieren, dass zwei Schallfronten gleicher Phase und Itensität zu unterschiedlichen Zeitpunkten an einem bestimmten Punkt ankommen, was dazu führt, dass sich die Frequenz ändern kann.



Ortung durch partielle Absorbtion

wie weiter oben beschrieben, können Subwoofer auch größere Anteile an Obertönen abgeben, welche zu einer Ortung führen können. Unter normalen Umständen wären diese vielleicht gerade ausreichend leise, damit keine Ortung stattfinden kann, wenn aber z.B. durch einen Schrank oder ein dünnes Fenster mehr tiefe Frequenzen absorbiert werden als deren Obertöne, dann kann es passieren, dass z.B. der Schrank als Quelle der Signale identifiziert wird



in diesem Bild ist hellblau die eigentliche Frequenz vom Subwoofer und grün die Obertöne. Wie man sieht, bleibt nach der Reflektion am Schrank mehr Obertonanteil übrig, wodurch unter Umständen eine Ortung wieder möglich wird.




Aufstellung eines Subwoofers unter dem Gesichtspunkt der Ortbarkeit und auswählen der Trennfrequenz

Da bei den meisten Film – und Musikmaterialien die primäre Richtung, aus der die Signale kommen, vorne ist, sollte auch der Subwoofer dort hinkommen. Dies ist aber nicht zwingend notwendig, wenn der Subwoofer nicht in seiner Position lokalisierbar ist.
Wenn der Subwoofer selbst wenig Klirranteile erzeugt und auch die Trennfrequenz nicht zu hoch liegt, ist eine Aufstellung hinter dem Hörer oder daneben problemlos möglich. Allgemein kann man hier eine Trennung bei maximal 80Hz annehmen und einem Abstand von mehr als 2m. Es kann aber nötig werden, bei so einer Aufstellung noch tiefer zu trennen, was allerding den Nachteil hat, dass auch die Lautsprecher so tief spielen müssen, was gerade im Surroundbereich schnell zu Problemen führen kann.

Hat man die Möglichkeit, den Subwoofer nahe dem Center, bzw vorn in der Mitte aufzustellen, dann ist der Ursprung von Obertönen usw ebenfalls vorn in der Mitte (die seitlichen Reflexionen verhalten sich ähnlich wie die Reflektionen vom echten Centerlautsprecher, weshalb eine Ortung dann dem Center zugeordnet wird).
In dieser Aufstellung ist eine Trennung bis 150Hz problemlos möglich.

Steht der Subwoofer mehr bei den Hauptboxen, dann werden die seitlichen Reflexionen stärker und um so ausgeprägter, je größer die reflektierend (schallharte) Fläche (Wand, großer Schrank usw) ist. Bei der Reflektion können wie oben beschrieben, Unterschiede auftreten, sodass sich die Welle verändert und damit das Signal. Aber auch hier gilt, je tiefer die Frequenz ist, desto geringer fallen die Veränderungen aus, bzw desto größer müssten die Hindernisse sein, damit der Effekt noch auftreten kann.
Bei dieser Aufstellung nah der Hauptboxen ist es empfehlenswert, den Subwoofer bei 100-120Hz zu trennen.

Werden statt einem, mehrere Subwoofer verwendet (ideal 2 oder 4 baugleiche Subwoofer), dann vermindert sich das Problem der Ortbarkeit zum Teil drastisch. Bei mehreren Subwoofern kann man dann daher diese optimal nach den Regeln der Raumanregung aufstellen (siehe die Abschnitte weiter oben).



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Erstellt von: Robert Menger (Domaininhaber); letzte Aktualisierung: 06.02.2013
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