Hallraum

tonetti • 1. Juli 2022

Das Pendant zu reflexionsarmen Räumen

Hallräume sind das Pendant zu reflexionsarmen Räumen. Sie weisen schallharte, reflektierende und nicht parallele Raumbegrenzungsflächen auf, um eine möglichst lange Nachhallzeit und ein möglichst diffuses Schallfeld ohne Resonanzen hervorzubringen. Dazu wird geschlossenporiger, schallharter Beton oder Fliesen für die Raumbegrenzungen verwendet. In den Raum werden zusätzliche Platten, sogenannte Diffusoren eingebracht, die unter Umständen unterschiedlich ausgerichtet werden können, damit der Schall in alle Richtungen verteilt wird. Als Schallquelle werden allseitig abstrahlende Lautsprecher oder Schreckschusspistolen verwendet.

Hallräume dienen zur Schallleistungsbestimmung von z.B. Lüfter, Motoren und Antriebe nach DIN EN ISO 3741 oder zur Schallabsorptionsmessungen von Akustikdecken, Absorbern, Theaterstühlen, Vorhängen, Wandverkleidungen, Möbeln nach DIN EN ISO 354. Sie werden oft auch in Studiokomplexen gebaut und liefern einen „echten“ Nachhall für Audioproduktionen. Zu guter Letzt wird auch die Dämmung von Schallschutzkabinen nach DIN EN ISO 11957 in Hallräumen gemessen.

Die Größe von Hallräumen liegt zwischen 150 und 400m³ Volumen, sie haben eine Nachhallzeit von mehreren Sekunden und eine untere Grenzfrequenz von bis zu etwa 130Hz. Bis zu dieser unteren Grenzfrequenz ist eine Messung nach Norm in der Praxis möglich. Eine empirisch ermittelte Grenzfrequenz für Hallräume ist:

mit

f_g = Grenzfrequenz [Hz]

T = Nachhallzeit [s]

V = Raumvolumen [m³]

Die Grenzfrequenz nach dieser praxisorientierten Formel liegt eine Oktav unterhalb der so genannten Schröderfrequenz, welche streng genommen die eigentliche untere Grenzfrequenz eines Raumes darstellt, sie hat die Formel:

Die Schröderfrequenz stellt die Frequenz eines Raumes dar, oberhalb welcher die Raummodendichte so groß ist, dass es zu keinerlei Klangverfärbungen kommt. Das oberhalb dieser Grenzfrequenz vorhandene diffuse Schallfeld definiert sich durch eine konstante räumliche Energiedichteverteilung und eine stochastische gleichverteilte Schalleinfallsrichtung. Unterhalb der Grenzfrequenz sind genannte Definitionen nicht erfüllt, es kommt zu einem modalen Verhalten mit Raumresonanzen und deutlich unterschiedlichen Abklingzeiten der einzelnen Frequenzen.

Messungen im Hallraum

Generell werden die Mikrofone in einem Hallraum mindestens einen Meter von der Wand entfernt aufgestellt, um Moden, bzw. den Energieanstieg in Wandnähe zu vermeiden und weiters mindestens zwei Meter von der Schallquelle entfernt platziert, um sicher außerhalb des Hallradius zu sein. Der Hallradius ist die Grenze um eine Schallquelle, bei der der Direktschallanteil und der Raumschallanteil bzw. der diffuse Schallanteil gleich groß sind. Bei einer Nachhallzeitmessung wird zudem meist erst nach dem Abfall der ersten 5dB gemessen, um den Direktschall und die Erstreflexionen auszuschließen.

Für die Messung der Schallleistung eines eingebrachten Gerätes reicht eine einzige Schalldruckpegelmessung im Diffusfeld. Es stellt sich ein Energiegleichgewicht aus zugeführter und absorbierter Schallenergie ein. Im Diffusfeld des Hallraums baut sich entsprechend der zugeführten Schallleistung ein stationärer Schalldruck auf, der von der Größe des Raumes, in dem sich die Energie verteilt, abhängt. Der Schalldruckpegel L_p und die Schallleistung L_w sind bei einer Schallleistungsmessung im Hallraum miteinander verknüpft. Solange der Hallraum in seiner Größe bzw. dem Absorptionsverhalten gleichbleibt, gibt es eine konstante Differenz zwischen den beiden Größen. Absolut gesehen ändert sich die Differenz aber je nach Raumvolumen und Nachhallzeit. Es gilt folgende Formel:

mit

L_w = Schallleistung [dB]

L_P = Schalldruckpegel [dB]

T₆₀ = Nachhallzeit [s]

V = Volumen [m³]

k = Sabinesche Konstante (= 0,163)

Bei der Schallabsorptionsmessung von Gegenständen bieten Hallräume aufgrund deren geringen Schallabsorption einen großen Vorteil. Folgende einfache Formel des Physikers W. C. Sabine gibt den Zusammenhang zwischen Nachhallzeit, Volumen und Absorptionsfläche eines Raumes mit geringer Absorption wieder:

mit

V = Volumen [m³]

A = äquivalente Schallabsorptionsfläche [m²]

Die verschieden absorbierenden Oberflächen eines jeden Raumes tragen zur Gesamtabsorption des Raumes bei. Dabei wird die Gesamtoberfläche in Teilflächen zu bestimmten unterschiedlichen Absorptionsgraden unterteilt. Die Summe der Teilflächen S_i [m²] mit ihren Absorptionsgraden α_i [%] kann auch als eine einzige Fläche mit einer Absorption von 100% beschrieben werden, die so genannte äquivalente Schallabsorptionsfläche A. Ändert man nun in einem Raum, dessen Nachhallzeit und Volumen (und äquivalente Schallabsorptionsfläche) bekannt ist, einen Teil der Oberfläche durch ein Material mit einem anderen Schallabsorptionsgrad (bei Absorptionsmessungen in Hallräumen üblicherweise 10-12m²), so hat dies eine unmittelbare Wirkung auf die Nachhallzeit. Misst man diese neue Nachhallzeit, kann man auf den Schallabsorptionsgrad der neuen Teilfläche zurückrechnen.

Bei diesen Absorptionsgradbestimmungen ist es wichtig, dass es keine „offenen Seiten“ gibt: Soll z.B. der Absorptionsgrad eines Schallabsorbers mit 10cm Dicke bestimmt werden, so müssen die Ränder des am Boden liegenden Absorbers abgedeckt werden, um eine dort zusätzliche Absorption zu verhindern. Ansonsten wäre der bestimmte Absorptionswert größer als der, der eigentlich interessierten Hauptfläche des Absorbers. Manchmal wird dies nur ungenügend berücksichtigt und es resultieren Absorptionsgrade α > 1, die real nicht möglich sind.

Aufgepasst!

Ein im Jahr 2011 durchgeführter Ringversuch von Schallabsorptionsgradmessungen in Hallräumen hat gezeigt, dass unterschiedliche Hallräume für beträchtliche Unterschiede in den gemessenen Absorptionsgraden von Materialien (Differenz α = 0,2) verantwortlich sind. Die Gründe dafür sind die unterschiedlichen Schröderfrequenzen der einzelnen Hallräume, die unterschiedliche Anzahl von Diffusoren und deren Größe, die unterschiedlichen Anregungssignale der Räume (abgeschaltetes Rauschen versus Impulsanregung) und schließlich auch, ob die Nachhallzeit RT₆₀ (Zeit für Abfall um 60dB, per Definition) aus Extrapolation von T₂₀ (gemessener Abfall von 20dB mit 3 multipliziert) oder T₃₀ (gemessener Abfall von 30dB mit 2 multipliziert) oder T₄₀ (gemessener Abfall von 40dB mit 1,5 multipliziert) ermittelt wurde.

Der Abklingvorgang eines jeden realen Raumes gleicht aufgrund des nicht idealen diffusen Schallfeldes einer Krümmung/ Kurve und nicht einer Geraden (letzteres wäre die Voraussetzung für obiges Vorgehen). Somit ergeben die unterschiedlichen Regressionsgeraden der Teil-Nachhallzeiten T₂₀, T₃₀, T₄₀ unterschiedliche Nachhallzeiten RT₆₀. In der Praxis wird darüber hinaus manchmal die „Early Decay Time“ (der Abfall der ersten 5dB) mitgerechnet, manchmal nicht, was zusätzlich zu unterschiedlichen Nachhallzeitmessungen und somit Absorptionsgradmessungen führt.

Das nicht ideale, diffuse Schallfeld, das auch auf Hallräume zutrifft, erklärt sich durch das modale Verhalten bei tiefen Frequenzen und die nicht perfekt gleichmäßige Verteilung der Absorptionsflächen über die gesamte Raumoberfläche. In der Praxis wird das zu messende Material in einer zusammenhängenden Fläche am Boden platziert, oder im Falle einer Absorptionsmessung von Vorhängen vor einer einzelnen Wand platziert.

Quellen:

Hinweis:

Dieser Text ist in Zusammenarbeit mit Florian Mayerhoffer (https://www.shape-the-sound.com/) und Francesca Tonetti (franctonescatti@gmail.com) entstanden.

< Älterer Beitrag

Neuerer Beitrag >

Melde dich an um regelmäßige Mailings zur Akustik zu erhalten - keine Angst kein Spam!

Mailing Liste

Preserving the sound of alpine glaciers

von tonetti • 10. Oktober 2024

Un suono in estinzione - preserving the sound of alpine glaciers

Gibt es die optimale Nachhallzeit?

von tonetti • 27. September 2024

In zahlreichen Studien, vor allem in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, wurde versucht herauszufinden, welche Nachhallzeiten als optimal für verschiedene Nutzungsvarianten bzw. Veranstaltungstypen empfunden werden. Man gab dazu Versuchspersonen in einen Raum und ließ zum Beispiel ein Streichquartett musizieren. Nach und nach brachte man mehr Absorptionsflächen in den Raum ein und ließ die Versuchspersonen bewerten, ob sie die jeweilige Akustik als geeignet empfanden. Es stellte sich heraus, dass im Allgemeinen eine optimale Nachhallzeit für die jeweilige Nutzung des Raums feststellbar war. Waren die Nachhallzeiten länger oder kürzer als dieses Optimum, so wurde die Akustik jeweils als ungeeignet empfunden. Diese optimalen Nachhallzeiten unterliegen subjektiven Streuungen. Jede Person hat eine etwas andere Empfindung, trotzdem konnte eine Normalverteilung festgestellt werden. Entscheidend ist aber, dass die optimalen Nachhallzeiten stark von der Raumnutzung und von der Raumgröße abhängig sind. Es ist zum Beispiel einleuchtend, dass Sprachveranstaltungen einer kürzeren Nachhallzeit für gute Sprachverständlichkeit bedürfen als z.B. eine Chorveranstaltung. Zudem tendiert unsere Erwartungshaltung für größere Räume in Richtung von längeren Nachhallzeiten. Dieser Anspruch resultiert hauptsächlich aus unseren Erfahrungen, da die meisten kleinen Räume eben kürzer nachhallen als größere Räume. Diese Zusammenhänge wurden in der Literatur verknüpft und anschließend in Normen festgehalten, um sich als Standards etablieren zu können. Jedes Land hat dabei einen etwas unterschiedlichen Zugang. Einerseits durch den offensichtlichen Kulturunterschied, andererseits handelt es sich oftmals um ein Kosten/Nutzen-Problem, welches sich aus bauwirtschaftlichen Überlegungen ergibt. Um hier einen direkten Vergleich mit den tatsächlichen Nachhallzeiten bekannter Opernhäuser und Konzertsäle darzustellen, sind im untenstehenden Bild die mittleren Nachhallzeiten dieser Säle über die jeweiligen Volumina dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Streuung relativ hoch ist, daher sind auch die Toleranzbereiche optimaler Nachhallzeiten relativ groß (± 20%).

Buchtipp: Raumakustik - Wie man Räume hörgerecht besser gestaltet

von tonetti • 13. August 2024

Raumakustik Lehrbuch

Die Schallabsorptionsgrade

von tonetti • 16. August 2023

Schallabsorptionsgrad ≠ praktischer Schallabsorptionsgrad ≠ bewerteter Schallabsorptionsgrad

Die einzigartige Akustik der Amphitheater

von tonetti • 13. Juli 2023

Die einzigartige Akustik der Amphitheater: Mythos oder Wissenschaft?

Die Akustik im Musikverein Wien

von tonetti • 5. Juli 2023

„Die Gesellschaft der Musikfreunde in Wien hatte längst empfinden müssen, dass die ihr zu Gebote stehenden Räumlichkeiten in der Stadt unter den Tuchlauben weder für ihre Zwecke des Konservatoriums noch für die Konzerte mehr genügen.“ Theophil Hansen aus „Allgemeine Bauzeitung“ aus dem Jahre 1870

Konzertsaalakustik 3 - Ein Hörversuch von Antti Kuusinen und Tapio Lokki

von tonetti • 30. März 2023

Ein Hörexperiment von Antti Kuusinen und Tapio Lokki In der Welt der klassischen Musik können die einzigartigen, akustischen Eigenschaften eines jeden Konzertsaals eine wesentliche Rolle für den Klang einer Aufführung spielen. MusikerInnen und DirigentInnen wählen, wenn möglich, ein bestimmtes Repertoire in Abhängigkeit der Aufführungsorte und damit der Akustik des Saals. Dadurch soll der bestmögliche Klang erzielt werden. Wie die Studie von Kuusinen und Lokki zeigt, kann es jedoch schwierig sein, einzelne Konzertsäle allein anhand des Klangs einer in diesem Raum gemachten Aufnahme zu identifizieren. Ziel der Studie im Jahr 2020 war es herauszufinden, wie schwierig es für HörerInnen ist, Konzertsäle durch Hörbeispiele zu identifizieren. Diese Beispiele umfassten Auszüge aus Beethovens Symphonie Nr. 7 sowie Violinen Solos, welche jeweils in den einzelnen Konzertsälen auralisiert wurden. Verglichen wurden 4 Konzertsäle mit teils unterschiedlichen Architekturen: • Zwei „Schuhschachtelförmige“ Säle: Amsterdam Concertgebouw (AC), Münchner Herkulessaal (MH) • Ein „Weinbergförmiger“ Saal: Berliner Philharmonie (BP) • Ein „Fächerförmiger“–Saal: Kölner Philharmonie (CP)