Grundlagen der RaumAkustik Teil I
Einführung in die Grundlagen der Raumakustik
Hast du schon einmal in einem Raum gestanden und das Gespräch einer anderen Person über eine große Entfernung hinweg verstanden? Oder warst du vielleicht schon einmal in einem Raum, in dem die Stimmen sehr hallig und unangenehm klangen? Wenn ja, hast du wahrscheinlich schon einmal erlebt, wie wichtig Raumakustik sein kann.
Raumakustik bezieht sich auf die Art und Weise, wie Geräusche sich in einem Raum verhalten. Ein Raum kann hallig oder schalltot sein und die Qualität des Klangs im Raum wird durch verschiedene Faktoren wie die Einrichtung und die Akustikmaterialien beeinflusst.
Um einen Raum akustisch zu optimieren, können verschiedene Materialien verwendet werden, um die Reflexion und Absorption von Schallwellen zu steuern. Dazu gehören Schaumstoffplatten und -matten, die an Wänden und Decken und befestigt werden, um den Schall zu absorbieren und die Klangqualität zu verbessern.
Es gibt viele verschiedene Arten von Akustikmaterialien, die für verschiedene Anwendungen verwendet werden können, wie z. B. für die Schallabsorption in Konferenzräumen oder die Schallisolierung in Musikstudios. Wenn du mehr über die Grundlagen der Raumakustik erfahren möchtest, können wir dir gerne mehr über Schallabsorber und deren Anwendungsbereiche erzählen.
Was ist Schall überhaupt?
Schall ist eine Druckwelle, die sich durch ein Medium, wie beispielsweise Luft oder Wasser, ausbreitet. Diese Druckschwankungen transportieren Wärme und Energie, die wir als Geräusche wahrnehmen.
Die Ausbreitung von Schall wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, darunter die physikalischen Eigenschaften des Mediums, die Eigenschaften des Schalls selbst und die Merkmale des Raums in dem der Schall sich ausbreitet. Dazu gehören beispielsweise die Dichte, Elastizität und andere Eigenschaften des Mediums, die Frequenz, Intensität und andere Eigenschaften des Schalls sowie die Größe, Form und Materialien des Raumes.
Die Art und Weise, wie Schall sich in einem Raum ausbreitet, hat einen großen Einfluss auf das Hörerlebnis. Dieser Effekt wird als Raumakustik bezeichnet. Es beschreibt nicht nur die Ausbreitung des Schalls, sondern auch die Art und Weise, wie er durch Wände, Decken, Fenster und andere Objekte im Raum reflektiert wird. Eine gute Raumakustik kann dazu beitragen, dass Schall besser wahrgenommen wird, während eine schlechte Raumakustik zu unerwünschten Echo- und Nachhall-Effekten führen kann.
Stell dir vor, es gibt ein Rohr mit einem offenen und einem geschlossenen Ende. Am geschlossenen Ende befindet sich ein beweglicher Kolben. Wenn man nun den Kolben in das Rohr hineindrückt, wird die Luft vor dem Kolben komprimiert. Dadurch entsteht ein Druckunterschied zwischen den beiden Enden des Rohrs, der sich zu ausgleichen versucht.
Das liegt daran, dass die Luftmoleküle ständig in Bewegung sind und sich gegenseitig anstoßen. Wenn auf einer Seite des Rohrs durch die Kompression mehr Luftteilchen vorhanden sind als auf der anderen Seite, stoßen sich die Luftmoleküle gegenseitig in Richtung des Bereichs mit geringerem Druck. Einzelne Moleküle bewegen sich zwar nur relativ wenig, aber durch ihre hohe Bewegungsgeschwindigkeit stoßen sie die nächsten Moleküle an und bewegen sie ebenfalls weiter.
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Um es auf das Rohr bezogen zu erklären: Durch das Rohr verläuft eine kleine Stoßfront, bei der jedes Luftteilchen das vor ihm befindliche ein klein wenig in Richtung des Bereichs mit geringerem Druck schiebt. Dieses bewegt dann wiederum das vor ihm befindliche Luftteilchen weiter und so fort.
Hier hab ich das mal versucht, grafisch darzustellen:
In dem Fall können wir schon zwei wichtige Größen definieren:
Was ist die Schallgeschwindigkeit?
Die Schallgeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit, mit der der Druckausgleich im Medium stattfindet. Es beschreibt also nicht die Geschwindigkeit der einzelnen Teilchen. Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Temperatur des Mediums ab. Je kühler das Medium ist, desto langsamer bewegen sich die Moleküle und desto länger dauert es, bis sie sich gegenseitig anstoßen und den Schall weitergeben.
Die Schallgeschwindigkeit ist ein wichtiger Faktor bei der Berechnung der Akustik eines Raums. Sie hängt von Eigenschaften des Mediums wie Dichte, Elastizität und Temperatur ab. In der Luft bei Raumtemperatur beträgt die Schallgeschwindigkeit ungefähr 344 m/s. In anderen Materialien, wie zum Beispiel Wasser oder Metallen, ist die Schallgeschwindigkeit unterschiedlich, da die Abstände und Schwingungsgeschwindigkeiten der Moleküle hier anders sind.
Die Schallgeschwindigkeit variiert je nach Material, in festen Materialien wie Beryllium oder Diamant hat man höhere Schallgeschwindigkeiten als in Luft oder Wasser. In Beryllium oder Diamant kann die Schallgeschwindigkeit bis zu 18.000 m/s erreichen, was einer der Gründe ist, warum diese Materialien häufig in Hochtönern verwendet werden.
Was ist eine 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.
Wenn der Druck in einem bestimmten Bereich am höchsten ist, sind dort sehr viele Luftmoleküle angesammelt, die jedoch relativ still stehen. Sobald der Druck sich jedoch weiter ausgleicht, bewegen sich die Luftmoleküle in Richtung des Bereichs des Unterdrucks.
In dem Augenblick, in dem die Bewegung der Luftmoleküle am schnellsten ist, befinden sich relativ wenige Luftmoleküle in einem bestimmten Bereich, wodurch auch hier der Druck am geringsten ist. Bis hierhin hätten wir lediglich eine Druckwelle, wie sie bei einer Explosion oder einem Blitz entsteht, aber noch keinen Schall.
Wenn man den Kolben nun abwechselnd hinein- und herauszieht, wird die Luft komprimiert und anschließend dekomprimiert. Da sich der Druckausgleich nach der Kompression bereits von der Membran wegbewegt hat, kann er sich nicht mehr mit der nachfolgenden Dekompression des Volumens ausgleichen. Durch eine einfache Kompression und direkt anschließende Dekompression des Volumens erhält man die einfachste Form einer Schallwelle: eine einfache Schwingung. Diese Schwingung breitet sich nun genau wie der Druckausgleich im Rohr aus.
So würde das animiert aussehen:
Da aber direkt nach dem Druckaufbau 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 des Unterdrucks 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 Druckmaxima/-minima wird als Wellenlänge (Lambda) bezeichnet. Diese hängt von der Frequenz ab. Wenn die Frequenz z.B. 344Hz (344 Schwingungen pro Sekunde, entsprechend 344 Druckmaxima und Druckminima in einer Sekunde) beträgt, dann würde die Wellenlänge
betragen. Bei 16kHz wären es nur noch 2,15cm.
Das war eine grundlegende Erklärung zum Thema Schallwellen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Reflektion von Schallwellen. Es gibt zwei wichtige Begriffe, die bei der Definition von Oberflächen bei der Reflektion von Schallwellen verwendet werden.
Was bedeutet Schallweiche Oberfläche?
Eine Oberfläche wird als schallweich bezeichnet, wenn sie im betrachteten Frequenzbereich durch die Schallwelle zur Schwingung angeregt wird und dadurch die Energie der Schallwelle absorbiert und an das nachfolgende Volumen weiterleitet.
Ein Beispiel wäre, wenn man ein Blatt Papier vor das oben beschriebene Rohr hält. 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. (Allerdings ist dies 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).
Was bedeutet Schallharte Oberfläche
Eine schallharte Oberfläche schwingt im betrachteten Frequenzbereich nicht mit, wodurch die Schallwelle reflektiert wird (Einfallswinkel = Ausfallswinkel). Eine Betonwand kann zum Beispiel als schallhart im gesamten Hörbereich angesehen werden.
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Effektive Akustikverbesserung
Wenn eine Schallwelle senkrecht auf eine schallharte Oberfläche trifft, wird sie in ihre Ursprungsrichtung zurückreflektiert. Durch die Reflektion überlagern sich nun die reflektierte Welle und die nachfolgenden Wellen. Da die Luftmoleküle an einer Wand nicht bewegt werden können, gibt es an der Wand immer nur Druckmaximums der Wellen.
Weiterhin addieren sich nun gleichartige Druckmaximums und Druckminimums, während sich Druckmaxima und -minima im Idealfall komplett auslöschen.
Da das erste Druckmaximum an der Wand stehen bleibt, bleiben auch die Überlagerungen stationär. Es ist jedoch zu beachten, dass die Schallwelle sich weiterhin normal ausbreitet. Es sind lediglich die Überlagerungen, die immer an der gleichen Stelle stattfinden.
Es ist jedoch nicht so, dass es immer einen hohen Druck vor der Wand gäbe, wenn das so wäre, würde man dort nichts mehr hören. Es ist nur so, dass der Druck im Druckmaximum an der Wand 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 ¼ Wellenlänge Abstand zur Wand ein Maximum der Schallschnelle. Da aber wie oben schon geschrieben, bei maximaler Schallschnelle immer das Druckminimum ist, hört man hier nichts.
Hier mal eine Animation und Grafik zur Veranschaulichung einer stehenden Welle:
