Moden und Aufstellung der Lautsprecher im Hörraum


Ein eigenständiger Bestandteil der HiFi-Kette ist der Hörraum.
Nachdem alle anderen Elemente der Hifi-Anlage erheblich optimiert wurden, ist er möglicherweise der betrachtenswerteste Bestandteil der HiFi-Kette, weil er im Lautsprecher-Raum sowohl Einfluß auf den Frequenzgang und den zeitlichen Ablauf der Schallwelle nimmt..
Es ist deutlich hörbar, wie selbst teure Lautsprecher -in einem ungünstigen Raum unglücklich aufgestellt- erschreckend schlecht klingen können.

Wer sich keinen speziell gebauten Hörraum einrichten kann, sollte das beste grosse Zimmer auswählen und es soweit wie möglich optimieren, ohne dabei den Zweck des Wohnens allzusehr in den Hintergrund zu drängen, dass heisst, dass Einrichtungsgegenstände integriert werden.

Das erste Hauptproblem:

Reflexion zwischen zwei parallelen Wänden führen zu stehende Wellen. Die Schallwellen, die zwischen den Wänden reflektiert werden, bauen Resonanzen auf, wenn der Abstand zwischen den Wänden gleich der Hälfte (oder ein Vielfaches davon) der Wellenlänge des Schalls ist. Diese Resonanzmoden bezeichnet man als " normale Moden" oder "Stehende Wellen". Sie verfärben den Klang des Raumes, indem sie bestimmte Töne hervorheben (dafür gibt es verschiedene Ursachen) und eine unnatürliche  Energieverteilung innerhalb des Raumes bewirken. Wenn eine bestimmte Resonanzenfrequenz isoliert auftritt, ist sie hörbar problematischer als wenn mehrere Resonanzen gleichmässig verteilt auftreten.
Resonanzenfrequenzverteilung ist eine physikalische Eigenschaft des Raumes, abhängig von seinen Abmessungen, und wird nicht durch das Audiosystem verursacht, sondern nur angeregt. Bei der Resonanzfrequenz spielt sowohl die Zunahme der Intensität eine Rolle als auch die zeitlich andauernde Dominanz des Tons. Nicht nur lauter, sondern auch länger...

Oberhalb 300 Hz verursachen stehende Wellen weniger wahrnehmbare Färbung, weil der Diffushallanteil im Raum normalerweise überwiegt. Unterhalb 300Hz können  lokale oder zusammentreffende Moden leicht wahrnehmbare Verfärbungen verursachen.
Der Grad der Verfärbung wird durch die Verteilung aller stehenden Wellen in diesem Raum bestimmt. Gleichmäßiger verteilte Moden sind weit weniger problematisch als verdichtet auftretende Moden bei den gleichen Frequenzen.

Es gibt drei Arten stehende Welle Moden, die in einem typischen  quaderförmigen Hörraum existierenen. Diese sind axiale, tangentiale und diagonale Moden. Weil die axialen Modi normalerweise dominieren und am deutlichsten hörbar und am einfachsten zu verstehen sind, beschränkt sich diese Betrachtung darauf.

Zum Verständnis und Optimieren folgen grundsätzliche Betrachtungen.

      Abbildungen 1-3

Abb.1 Grundwelle Modus (fo) zwischen zwei reflektierenden parallelen Wänden.Gleichung (2) zur Berechnnung von Frequenz fo.

Abb.2 erste harmonische Oberwelle Modus (2fo) zwischen zwei reflektierenden parallelen Wänden.
Abb.3 zweite harmonische Oberwelle Modus (3fo) zwischen zwei reflektierenden parallelen Wänden.

Der Begriff "erste Oberwelle" mag verwirrend erscheinen, wo doch die doppelte Frequenz gemeint ist und als erste bezeichnet wird, genauso die "zweite", die bei der dreifachen Frequenz auftritt. Die Grundwelle wird nicht mitgezählt, deshalb numeriert sich  n fo als "(n-1)-te Oberwelle".
 
 

Bestimmung der axialen Modenverteilung eines Hörraumes

Die Frequenz der fundamentalen (oder niedrigsten) Resonanz, die zwischen zwei parallelen Wänden auftritt, kann durch die folgenden Gleichungen leicht errechnet werden:

       (1) fo=344 / 2L oder vereinfacht (2) fo=172 / L

Wo die Konstante 344 die Schallgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde darstellt; L ist der Abstand zwischen parallelen Wänden. Wenn Ihr Raum rechteckig ist, treten stehende Wellen zwischen seitlichen Wänden, vorderen und hinteren Wänden und zwischen Fußboden und Decke auf. Der Faktor von 2 im Nenner von Gleichung (1) zeigt an, daß die Grundresonanz auftritt, wenn der Abstand zwischen denWänden der halben Wellenlänge des Tones entspricht. Moden treten auch bei den Harmonischen der Grundresonanz auf, also bei zweifacher Grundfrequenz (2fo), dreifacher(3fo) usw.
Um die Grundresonanz (und harmonische)  Frequenzen für den Raum festzustellen, gibt man einfach die Maße Ihres Raumes, in den Füßen, in Gleichung (2) ein.
 

Beispiel: Berechnung Grundwellen in den drei axialen Richtungen für einen Raum mit
8 m Länge x 4 m  Breite x 2.50 m Höhe.

Zwischen Stirnseite/Rückwand: fo längs = 172/8 = 21.5 Hz
Zwischen seitlichen Wänden: fo seit = 172/4 = 43 Hz
Zwischen Boden und Decke: fo vertikal = 172/2.50 = 68.8Hz

In diesem Beispiel ist die Länge das zweifache der Raumbreite. Der Grundmodus den seitlichen  Welle entspricht der ersten Harmonischen der Längswelle

       fo seit = 2fo längs = 43Hz

Dieser Raum würde eine wahrnehmbare Verfärbung haben, bei  2 axialen Moden mit 43Hz, 86Hz, 172Hz...

Hätte der Raum die Form eines Würfels, träte die ungünstigste denkbare modale Verteilung auf,  die Grundwelle UND alle Harmonischen von Resonanzen auf allen drei Achsen sind genau gleich. Der Frequenzgang dieses Raumes würde extrem unregelmässig und verfärbt sein.

Daraus folgt, daß ein Raum dann unproblematische Resonanzverteilung ergibt, wenn die drei charakteristischen Maße nicht ganzzahlige Vielfachen voneinander sind.
 
 

Raumeigenschaften bei mittleren und hohen Frequenzen

Die Raumeigenschaften für Mittel- und Hochton werden bestimmt von : Reflexion, Diffusion und Absorption.
Alle Wände und Einrichtungsgegenstände im Raum haben eine dieser akustischen Eigenschaften oder eine Kombination davon.

Reflexion: Die gesamte oder ein überwiegender Anteil der Schallenergie wird zurück in den Hörraum auf ein regelmäßige, vorhersagbare Art und Weise reflektiert. Schallwellen benehmen sich wie Lichtstrahlen oder eine Billiardkugel beim Auftreffen auf einen Spiegel oder eine reflektierende Wand. Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel !

Diffusion (Zerstäubung): Die gesamte oder ein überwiegender Anteil der Schallenergie wird zurück in den Hörraum auf ein unregelmäßige und zufällig verteilte Art und Weise reflektiert. Ein überwiegender Anteil der Energie wird zum Raum zurückgeschickt, aber er wird in allen Richtungen diffus zerstreut. Damit wird die Wellenstruktur zumindest teilweise aufgelöst.

Absorption: Das Gegenteil der Reflexion. Die gesamte oder ein überwiegender Anteil der Schallenergie wird von der Oberfläche oder Raumwand absorbiert, indem man die akustische Energie in mechanische Energie umwandelt und dann sie als Wärme ableitet. Damit wird die Wellenstruktur abgeschwächt.
 
 

       Abb.4 Reflexion - Schallwellen werden von einer harten Oberfläche gerichtet reflektiert.
       Abb.5 Diffusion (Zerstäubung) - Schallwellen werden in allen Richtungen reflektiert.
       Abb.6 Absorption - die Schallenergie wird in Wärme umgesetzt.
 
 

Im Allgemeinen hat ein guter Hörraum ein ausgewogenes Verhältnis dieser drei Eigenschaften, die ausreichend vorhanden sein müssen.

Es sind spezielle Produkte erhältlich, die jede einzelne dieser akustischen Charaktere beinhalten.
Zumeist sind sie teuer und unwohnlich. Glücklicherweise haben haushaltsübliche Einrichtungsgegenstände eine dieser genannten Eigenschaften oder eine Kombination davon.
Mit ein bisschen Gefühl und Geschick kann man seinen Raum ästhetisch anprechend und akustisch günstig einrichten, indem man bei Auswahl und Platzierung von der Oberfläche eines Möbels ausgeht:

Glatt, plan und hart: Überwiegend Reflexion
Hart und rund: Überwiegend Diffusion
Weich, porös: Überwiegend Absorption

Man muss aber bedenken, dass die Grösse der Fläche einen grösseren Einfluss hat, wenn die Frequenz hoch ist, anders ausgedrückt, die Wellenlänge klein, die Fläche  / Wölbung daran gemessen genauso gross. Für eine Wirkung im Bassbereich sind grössere Abmessungen erforderlich als im Mittel/Hochtonbereich.
 

Bestimmung des Standorts der Lautsprecher


Ausgehend von der Tatsache, dass die Moden ein raumbezogenes Problem darstellen, also durch Massnahmen am Raum  behandelt werden sollten, ist erfahrungsgemäss eine geringere Anregung bei richtigem Wandabstand zu erwarten.

Wenn ein Lautsprecher vor einer Wand steht, wird der Schall im Bassbereich sich kugelförmig ausbreiten und von der benachbarten Wand wird die Schallenergie reflektiert und fügt mit einem zeitlichen Versatz sich mit dem Lautsprechersignal wieder zusammen. Beträgt der Abstand zur Rückwand eine Viertel Wellenlänge, dann legt der rückwärtige Schall insgesamt  eine halbe Wellenlänge zurück. Dabei kommt es mit dem Schall des Lautsprechers zur Auslöschung. Dasselbe betrifft Boden, Decke und Seitenwände, hier kommt der Schall vom Hörer gesehen aber seitlich reflektiert, was die Berechnung der Wegdifferenz erschwert (mit den Winkelfunkionen aber möglich). Bodenbelag und Möbel können hier mit Absorption und Diffusereffekt die Auswirkung mildern.
Stellt man Lautsprecher wandnäher auf, verlagert sich die Frequenzauslöschung in höhere Frequenzbereiche. 25cm Abstand vom Chassis zur Rückwand sind 50cm Wegdifferenz, die Auslöschung findet bei der halben Wellenlänge statt (hier 50cm), dann ist die Wellenlänge 1 m, das Problem liegt also bei 344 Hz. Ganzzahlige Vielfache der genannten Frequenz sind ebenfalls betroffen.

Die Berechnung des Frequenzeinbruchs vor der Rückwand geht mit der Formel : Kritische Frequenz = Schallgeschwindigkeit durch 4-fachen Abstand in Meter gleich kritische Frequenz
f = 344 / (4 x Abstand)
vereinfacht:
f= 86 / Abstand
allgemein f= n x 86 / Abstand, wobei n für die ganzzahligen Vielfachen (Harmonischen) steht.
Da die Einbrüche typisch bei 6dB bis 20 dB liegen, muß man sie wirklich ernst nehmen.

Problemlösungen :

Idealerweise könnte der Lautsprecher in die Wand bündig eingelassen werden. Es gibt dann keine unmittelbaren Probleme mit der Rückwand mehr.

Wäre der Lautsprecher 10cm flach und stünde direkt vor der Wand, verlagert sich das Problem zu 860 Hz, wo der Lautsprecher erfahrungsgemäss bereits stärker gebündelt abstrahlt.

Beträgt die untere Grenzfrequenz 35 Hz, und der Einbruch soll mit 30 Hz unterhalb des Übertragungsspektrums liegen, dann sind 2.87 m Abstand erforderlich. Es gibt aber Einbrüche bei  60Hz, 90Hz, 120 usw.

Der Lautsprecher strahlt im Bass seinen Schall weitestgehend rundum ab, deshalb spielen alle benachbarten Begrenzungen eine Rolle. Die Rückwand, Boden, Seitenwand, Decke sind mir Reflexionen verbunden, die auf den Frequenzgang Einfluß nehmen.
Der Lautsprecher kann konsequenterweiyse gegenüber den begrenzenden Flächen mit solchen Abständen aufgestellt werden, daß diese in einem harmonischen Verhältnis stehen. Nach dem Verhältnis 0.618 : 1 : 1.618 können alle Effekte (samt Harmonische) im Frequenzspektrum gleichmässig verteilt werden.
Für die beste Stereo-Ortung ist ein größerer Seitenwandabstand wünschenswert, in der Praxis über 1 Meter.
 

Eine wandnahe Platzierung eines kugelförmig abstrahlenden Lautsprechers regt immer die Raumresonanzen  mehr an, die Konsequenz ist mehr Dämpfung auch für tiefste Frequenzen an der Wand gegenüber dem Lautsprecher (hinter dem Hörer).

Stereoanforderungen:


Beide Lautsprecher müssen gleiches Verhalten haben, damit sich vor dem Hörer ein virtuelles Bild zusammensetzt. Für die Übertragung der Rauminformation geht die Forderung bis in den höchsten Übertragungsbereich. Eine akustische Symmetrie zur Längsachse des Raums ist sehr wünschenswert, ein grösserer Seitenwandabstand in Kombination mit Diffusoren/Absorbern an den seitlichen Reflexionsstellen kann deutliche Verbesserungen bringen.

Alle Lautsprecher zeigen bei höheren Frequenzen ein ausgeprägteres Bündelungsverhalten. Dabei bündelt der Tieftöner stärker als der Hochtöner. Die Eigenschaften des kritischsten Chassis bestimmen die Ausrichtung auf den Hörer. Pauschale Regeln wie Ohrhöhe auf Hochtönerniveau sind so gesehen äusserst fragwürdig.
Wie weit der Lautsprecher nach innen gedreht werden muss, ist ein Kompromiss zwischen Bündelungsverhalten des Mitteltöners bei Übergangsfrequenz und Schallwandreflexionen an den Gehäusekanten, wobei die seitlich abgestrahlte Schallenergie abhängig von Seitenwandreflexion ebenfalls zum Hörer gelangt und miteinbezogen werden muss. Der Hörer kann auf Letzteres mit seiner Einrichtung Einfluss nehmen, Chassisauswahl und Gehäusedesign sind dagegen Herstellerangelegenheit.
Mit der bei Chario als RXL benannten Aufstellung strahlen die Lautsprecher derart nach innen, daß sich ihre Achsen vor dem Hörer überkreuzen, die nächste Seitenwand kaum direkt angestrahlt wird, stattdessen erreicht eher der Direktschallanteil vom Lautsprecher den Hörer. Dann kommt der intensive Anteil von der Achse, an der gegenüberliegenden Wand inzwischen zeitlich so verzögert und abgeschwächt, daß er nur noch einen untergeordneten Anteil im Gesamteindruck einnimmt.
Die Folge ist eine gute Ortung und eine gute tonale Ausgeglichenheit.
 
 

Bei Frequenzen bis 300 Hz dominieren Raumresonanzen Boxenrückwandabstand und sorgen für Einbrüche und Spitzen bis zu +/- 20dB.
Im Bereich 250 Hz bis 800 Hz spielt erfahrungsgemäß der Seitenwandabstand eine größere Rolle.
wird fortgesetzt....

Seiten zum Thema Raum-Behandlung
mit geringsten mechanischen Mitteln: Raum-tuning
mit optimalen elektronischen Mitteln: TacT Raumkorrektur

Im Hörraum gemessenes Wasserfall-Diagramm ohne weitere Massnahmen


Im Hörraum gemessenes Wasserfall-Diagramm nach dem Aufstellen von abgestimmten Lochplattenabsorbern (auf Rahmen befestigte Holzfaserplatte mit Dämpfungsmaterial im Hohlraum)
Vorteil: niedriger Preis im Selbstbau, schnelleres Abklingen


Im Hörraum gemessenes Wasserfall-Diagramm nach Anwendung digitaler Raumkorrektur
Vorteil: linearisierter Frequenzgang schnelleres Abklingen
Lyngdorf RP-1 oder integriert in Vollverstärker Lyngdorf TDAI2200RP

Praktische Links:
Verbesserung der Raumakustik  mit Dämpfungsmaterial: http://www.trikustik.at/rechner.html
Berechnung der Lautsprecherplatzierung im Raum: http://www.hunecke.de/de/rechner/lautsprecher.html

Mehr Informationen erhalten Sie hier:
FL-electronic / Neuklang
Mühlenpfordtstr.5
38106 Braunschweig
Tel.: 0531 / 342155
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