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Aus der FUNKSCHAU 1979, Heft 8 - I.Teil

von Prof. Dipl.-Ing. Heinrich Williges

Über Herrn Prof. Dipl.-Ing. Heinrich Williges

Prof. Dipl.-Ing. Heinrich Williges (69) studierte Nachrichtentechnik an der TH Karlsruhe. Von 1936 bis 1944 als Entwicklungsingenieur bei Siemens- Apparate- und Maschinenbau GmbH auf dem Gebiet der Steuer- und Regelungstechnik tätig, dabei hervorgetreten mit drei Patenten. Nach dem Krieg wandte er sich der Elektroakustik zu und war von 1952 bis 1955 in der Tontechnik beim Rundfunk tätig.
Seit 1955 als freier Mitarbeiter bei der Fa. Isophon- Werke GmbH, Berlin. Von 1971 bis 1978 Vorsitzender des Fachnormenausschusses „Laut- sprecher" und in dieser Eigenschaft deutscher Sprecher bei der IEC (International Electrical Commission). Nach Lehrtätigkeit ab 1955 an der Ing.- Akademie Gauß, Berlin; 1971 Berufung zum Professor an die Technische Fachhochschule Berlin für das Lehrgebiet Technische Akustik und nach der Pensionierung dort noch als Lehrbeauftragter tätig.

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Die Lautsprecherwiedergabe im Wohnraum - Teil 1

Studiomonitoren im Schallplatten-Schneidstudio Brüggemann in Frankfurt im Jahr 2010

Man vergißt allzu oft, daß nicht die Qualität von Tonträger und Hi-Fi-Anlage allein für die erreichbare Klangtreue im Heim ausschlaggebend sind, sondern Lautsprecher und Wiedergaberaum im Idealfall ein aufeinander abgestimmtes Ganzes bilden. Während man bei Regieanlagen der professionellen Technik schon seit langem spezielle Raumentzerrungen findet, ist die optimale Anpassung der Lautsprecher an den Wohnraum bisher kaum verbreitet. Dieser Beitrag schildert, welche Gesichtspunkte dabei eine Rolle spielen.
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Bild 1. Zu einer akustischen Übertragungskette vom Aufnahmestudio über den Regieraum bis zum Wohnzimmer zählen auch die unterschiedlichen Räume

Die stereofone Wiedergabe eines Schall- ereignisses in einem Wohnraum mit Hilfe von Lautsprechern, gleichgültig, ob die Darbietung von einem Tonband, einer Schallplatte, vom Rundfunk oder einer Live-Übertragung stammt, erfolgt mit der Übertragungstechnik, wie sie in Bild 1 im Prinzip dargestellt ist.

Im Regieraum laufen alle Mikrofonkanäle des Darbietungsraums von Solisten, Instrumenten- gruppen, dem Raumschall usw. zusammen; die Schallinformationen werden hier abgemischt (Anmerkung: von der Einzellautstärke der Instrumente her optimal angeglichen) und auf zwei Kanäle verteilt. Der Toningenieur optimiert diese Mischung durch Abhören über die beiden Regielautsprecher.

Regieraum und Wohnraum

Ein mobiles Studio mit Regie-Lautsprechern

Noch 1960 waren die Regieräume so dimensioniert, daß sie bezüglich der Raumakustik einem Wohnraum gleichkamen. Die Regielautsprecher entsprachen dabei mindestens der oberen Qualitätsstufe von Heimlautsprechern. Abgemischt wurde so, wie es die Hörerwartung im Wohnraum verlangte.

Daraus folgte auch in umgekehrter Richtung die theoretische Gesetzmäßigkeit: Die beste Lautsprecherwiedergabe im Wohnraum ergibt sich dann, wenn sie derjenigen im Regieraum entspräche. Hinsichtlich der allgemeinen technischen Weiterentwicklung ergab sich die Folgerung, daß das Qualitätsniveau der Geräte und Lautsprecher der Regieräume von heute der Standard des Verbrauchermarktes von morgen ist.

Neue Maßstäbe

Inzwischen haben sich die Maßstäbe aus folgenden Gründen verändert:
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  • Die akustischen Eigenschaften der Wohnräume sind so unterschiedlich, daß man einen Regieraum kaum auf die Werte eines sogenannten „mittleren" Wohnraumes bringen kann. Wie sehr die akustischen Parameter von Wohnräumen die Wiedergabe von Lautsprechern beeinflussen, geht z. B. aus eingehenden Untersuchungen hervor, über die auf der 47. AES-Tagung in Kopenhagen 1974 berichtet wurde [l].

    Es ging dabei um die subjektive Beurteilung von fünf unterschiedlichen Lautsprechern in drei verschiedenen Wohnräumen mit Hilfe von Hörtests. Es zeigte sich, daß in einem der Wohnräume eine bestimmte Rangfolge für die Lautsprecherqualität, z. B. von zwei Spitzenboxen entstand, in einem anderen Wohnraum sich die Rangfolge jedoch umkehrte.

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Der Nachhallverlauf der ARD-Regieräume weicht beispielsweise besonders bei tiefen Frequenzen von dem der meisten Wohnräume ab, und zwar liegt er wesentlich tiefer. Das hat den Vorteil, daß die Wiedergabe der Regielautsprecher raumunabhängiger ist, wodurch z. B. der Hörvergleich von Produktionen in verschiedenen Regieräumen erleichtert wird.
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  • Die Wiedergabeeigenschaften der Regielautsprecher müssen in erster Linie besondere Anforderungen erfüllen, die sich aus dem Produktionsablauf im Regieraum ergeben. So will man z. B. die Aufstellung der Mikrofone zu den Schallquellen genau kontrollieren können, die Abbildung von Punktschallquellen und ihre stereofone Plazierung im Schallpanorama exakt erkennen, die Balance zwischen Direktschall und Raumschall einstellen können usw.

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Der Hörer zu Hause gibt den Parametern eine andere Rangfolge. So möchte er möglichst ringsum von Schall umgeben sein, der ihm die Illusion erzeugt, sich innerhalb des Originalraumes zu befinden. Er möchte dabei nicht an einen eng begrenzten optimalen Hörplatz im Raum gebunden sein und begnügt sich daher meist mit einer räumlichen und durchsichtigen Verteilung der virtuellen Schallquellen, ohne ihre genaue Lokalisierung im Schallpanorama zu fordern (soweit es sich nicht um Solisten handelt).
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Der Regielautsprecher ist kein Vorbild mehr

Wie sich aus der Gegenüberstellung ergibt, ist der Regielautsprecher und seine Wiedergabe im Regieraum heute nicht mehr das ideale Vorbild für die Wiedergabe im Wohnraum. Da außerdem verschiedene Parameter mit unterschiedlichem Gewicht auf die Wiedergabequalität in Wohnräumen Einfluß haben, werden im folgenden vier Bereiche näher erörtert:

  • akustische Eigenschaften von Wohnräumen,
  • Einfluß spezieller Lautsprechereigenschaften auf das Schallfeld,
  • psychologische und physiologische Hörbedingungen für das Schallfeld in Wohnräumen und
  • Pegel- und Leistungsbeziehungen

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Akustische Eigenschaften von Wohnräumen

Zur Feststellung der akustischen Eigenschaften von Wohnräumen liegen seit einigen Jahren mehrere hundert Messungen in Wohnräumen aus Deutschland, Schweden, Dänemark und anderen Ländern vor.

Ganz allgemein läßt sich aus ihnen eine wichtige Erkenntnis ableiten:
Alle Wohnräume sind klein im Vergleich zu Konzerträumen, deren Volumen von 1000 m³ bis über 20.000m³ reichen. Auf Grund der großen Wandabstände liegen die Eigentöne von Konzerträumen bereits an der unteren Frequenzgrenze des Hörbereichs so dicht, daß praktisch dort schon ein kontinuierliches Eigentonspektrum vorliegt.

Bei Wohnräumen beginnt das kontinuierliche Eigentonspektrum meist erst oberhalb 300 Hz, so daß sich bei Lautsprecherbeschallung die darunter liegenden Eigentöne selektiv herausheben und eine Klangverfärbung der Darbietung hervorrufen.

Die Nachhallzeit

Bild 2. Nachhallzeiten (a) und
Schalldruckpegel (b) für einen Abhörraum von 78 m3, ermittelt mit Terzrauschen

Eine weitere akustische Kenngröße von Räumen ist die Nachhallzeit. Sie liegt bei Wohnräumen bei tiefen Frequenzen meist zwischen 0,4s und 0,9s und fällt nach hohen Frequenzen bis auf etwa 0,2s ... 0,4s ab.

Wie sich die beiden akustischen Parameter auf die "Hörsamkeit" von Wohnräumen auswirken können, erkennt man z. B. an den Meßwerten in Bild 2, die in einem Abhörraum mit Terzrauschen aufgenommen wurden. Dabei handelt es sich um einen optisch und akustisch wohnraumähnlich ausgestalteten Abhörraum zum Testen von Lautsprechern. (Die Meßwerte wurden vom Heinrich-Hertz-Institut Berlin ermittelt und freundlicherweise von Herrn Dr. Wilkens zur Verfügung gestellt.)

bei tiefen Frequenzen

Auffallend hierbei sind die relativ großen Schwankungen des Nachhallverlaufes bei tiefen Frequenzen, aus denen die Einflüsse der selektiven Eigentöne des Raumes erkennbar sind. Noch größer sind die davon abhängigen Pegelunterschiede in der Kurve darunter an den verschiedenen Hörerplätzen.

Obwohl der Meß-Lautsprecher im Freifeld eine waagerechte Übertragungskurve im tiefen Frequenzgebiet besitzt, ist nicht nur der mittlere Verlauf in den Pegelschwankungen verändert, sondern es treten Standardabweichungen zwischen den Hörerplätzen auf, die bis zu ±4 dB betragen.
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bei mittleren Frequenzen

Erst oberhalb von 500 Hz sind die Pegelschwankungen geringer und die Frequenzkurve hat einen ausgeglicheneren Verlauf. Messungen in anderen Wohnräumen zeigen ähnliche Frequenzgänge, woraus sich ergibt, daß die Wiedergabeeigenschaften von Wohnräumen oberhalb 800 bis 1000 Hz weitgehend übereinstimmen.

Nun umfaßt der Frequenzbereich von 50 Hz bis 800 Hz aber bereits 4 Oktaven, außerdem liegen in diesen Oktaven die große Dynamik und der größte Energiegehalt von Orchestermusik. Es ist daher nicht verwunderlich, wenn bei der Musikwiedergabe in Wohnräumen ein anderes Verhältnis von Grundtönen zu Harmonischen auftritt als im Regieraum und dadurch auch andere Klangeindrücke für den Hörer entstehen.
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Kompensation der Raumeinflüsse

Bild 3: Entzerrerkurve für K+H O84 Lautsprecher in Regieräumen
Bild 4. Frequenzverlauf der Lautsprecherwiedergabe ohne (a)
und mit Kompensation durch einen Oktavband-Entzerrer (b)

Zur Kompensation akustischer Einflüsse in Räumen setzt man schon seit langem Verstärker mit zum Raumverhalten spiegelbildlichen Frequenzgang ein. Bild 3 zeigt die Entzerrung eines Lautsprechers (Typ K+H O84) für Regieräume [2].

Die Entzerrerkurve in Bild 3 enthält neben der Kompensation der Raumeinflüsse noch eine Korrektur für den Frequenzgang des Lautsprechers, womit sich eine optimale Wiedergabe im Raum erreichen läßt.

Für die Optimierung in Wohnräumen gibt es auf dem Markt unter der Bezeichnung Equalizer verschiedene Ausführungen. Aufwendig und damit kostspielig ist eine Unterteilung der Einstellmöglichkeit in Terzstufen, für viele Fälle reicht dagegen schon eine Unterteilung in Oktavbereichen aus.

Bild 4 zeigt den Frequenzgang der Lautsprecherwiedergabe in einem Wohnraum vor bzw. nach der Kompensation mit einem Oktavband-Entzerrer.

Der Einfluß spezieller Lautsprecher- eigenschaften auf das Schallfeld

Betrachtet man das Schallfeld, das z. B. von einer üblichen Kombination mit drei Lautsprecherchassis in der Umgebung erzeugt wird, dann ergibt sich folgendes:

  • Im Tieftonbereich strahlt die Lautsprecherbox wie ein Kugelstrahler nach allen Richtungen. Dies ergibt sich aus dem Größenverhältnis von Schallwellenlänge zu Strahlerabmessungen. Verglichen mit der Wellenlänge von z. B. 50Hz, die in Luft rund 7m beträgt, ist die Abmessung eines Lautsprechers von etwa 0,25m zusammen mit einer Gehäusebreite von 0,3 ... 0,4m sehr klein, so daß die Schallabstrahlung einer idealen Punktschallquelle entspricht.
  • Für den Hochtonlautsprecher beträgt z. B. die Wellenlänge von 10.000 Hz nur noch 3,4cm, so daß die Gehäusebreite schon zehnmal so groß wie diese Wellenlänge ist. Infolge der Reflexion an der Vorderwand des Gehäuses entsteht dadurch eine Bündelung in einen Raumwinkel von 180°.
  • Der Übergang vom 360°-Strahler zum 180°-Strahler liegt irgendwo im Mitteltonbereich, wenn man zunächst davon absieht, daß die Mittel- und Hochtonlautsprecher möglicherweise von sich aus noch eine engere Bündelungseigenschaft besitzen können.

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Der Einfluß reflektierender Wandflächen

Tabelle: Pegel einer Dreiweg-Box auf verschiedenen Plätzen eines Wohnraumes, gemessen mit Oktavrauschen bei konstantem Effektivwert

Aus den Strahlereigenschaften einer Lautsprecherbox ergibt sich nun eine Abhängigkeit des Schallfeldes von der Aufstellung im Raum durch den Einfluß reflektierender Wandflächen; dies wurde mit einer 3-Weg-Box in einem Wohnraum untersucht, wobei sich Pegelwerte ergaben, die in der Tabelle zusammengestellt sind.

Wie die Tabelle bestätigt, nimmt bei 63 Hz der Pegel durch jede zusätzlich reflektierende Wand entsprechend dem theoretischen Wert für Punktstrahler um jeweils 3dB zu. Aber schon bei 250 Hz beträgt die Zunahme nur noch je 1dB. Ab 500 Hz aufwärts ist der Schallpegel unabhängig von der Aufstellung im Wohnraum; dies gilt praktisch für jede Art von Lautsprecherbox.

Interferenzen, Auslöschungen und Pegeleinbrüche

Bei der Aufstellung einer Box im Raum kann sich ein anderer Einfluß dadurch ergeben, daß direkte Schallwellen vom Lautsprecher und von Raumflächen reflektierte Schallwellen am Hörerplatz zu Interferenz führen; entspricht dabei der Wegunterschied gerade einer halben Wellenlänge, dann kommt es dort zu Auslöschungen bzw. Pegeleinbrüchen.

Das wirkte sich bei den Regielautsprechern K+H O85 und K+H O85a so aus, daß bei 160 Hz - bedingt durch die Reflexion über den Fußboden - ein Frequenzeinbruch auftrat. Um ihn zu kompensieren, wurde für die Tiefton-Lautsprecher dieser Lautsprecherschränke eine Pegelüberhöhung von 2dB bei 160 Hz in der Freifeldfrequenzkurve vorgeschrieben.

Die Bündelung der Schallwellen

Bild 5. Bündelungskegel in Abhängigkeit von Bündelungsgrad y und Bündelungsmaß Di in dB

Von ganz besonderer Bedeutung für die Raumbeschallung ist die Bündelung der Schallwellen durch die Lautsprecher.

Diese Bündelung kann man als dimensionslosen Bündelungsgrad y oder dessen zehnfachen Logarithmus als Bündelungsmaß Di (directivity index) in dB angeben.

Rechnet man die Bündelungsgrößen in entsprechende Bündelungskegel um, dann ergibt sich der Zusammenhang nach Bild 5 rechts.

Danach entspricht z. B. ein Bündelungsmaß von 8dB einem Bündelungsgrad von 6, d.h., der Schallstrahler erzeugt einen Bündelungskegel von 90° oder ±45° gegenüber der Mittelachse.

Der Hallradius

Je stärker nun die Bündelung eines Lautsprechers ist, um so weiter verschiebt sich der Hallradius auf der Mittelachse des Bündelungskegels bei der Beschallung im Raum, und zwar wächst er mit der Wurzel aus dem Bündelungsgrad y.

Bezüglich der physikalischen Bedeutung des Hallradius, d.h. des Abstandes von einer Schallquelle, bei dem die direkten und indirekten Schallanteile gerade gleich groß sind, darf man sich allerdings nicht zu der Vorstellung verleiten lassen, als befinde man sich innerhalb des Hallradius im direkten Schallfeld und außerhalb desselben im indirekten oder diffusen Schallfeld der Schallquelle, so als wäre der Hallradius eine Art Übergangsschwelle.

In Wirklichkeit ist der Übergang fließend, weil sich an jedem beliebigen Raumpunkt beide Schallfeldarten addieren. Im Abstand des Hallradius, in dem also beide Schallanteile gleich groß sind, ist der Summenpegel um 3dB höher als jeder der beiden, beim halben Hallradius ist er um rund 7dB höher als der Pegel des Diffusschalles.

Der Abstand, bei dem der Summenpegel nur noch um vernachlässigbare 0,5dB höher ist, liegt beim 3,2 fachen Betrag des Hallradius, woraus sich ergibt, daß man sich in einem Raum erst beim 3fachen Hallradius im Diffusfeld allein befindet. Andererseits befindet man sich praktisch erst bei einem Drittel des Hallradius im direkten Schallfeld eines Strahlers.

Eine zahlenmäßige Vorstellung der in Wohnräumen vorkommenden Größenordnungen liefert folgende Überschlagsrechnung:

Geht man von einem üblichen Wohnraum von 50m³ und einer Nachhallzeit von 0,5s aus und setzt man Stereolautsprecher mit einem mittleren Bündelungsmaß von 8dB voraus, dann liegt der Hallradius bei 1,5m. Das akustische Mischfeld erstreckt sich also von 30cm bis 4,5m, wobei man sich diese Abstände als Halbkreise um jede der beiden Lautsprecherboxen vorstellen muß.                          

(Schluß folgt)

Soweit Teil 1 dieses Artikels aus 1979.

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