Grundlagen der RaumAkustik Teil III

Robert Menger – 2023-01-17 11:59:00
Grundlagen der RaumAkustik Teil III - Grundlagen der Raumakustik: Tipps und Tricks für eine bessere Klangqualität

Weiter geht es mit dem dritten Teil der Serie: Grundlagen der Raumakustik.

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.

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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.

Wie stelle ich mehrere Subwoofer auf?

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

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. Es ist erstmal 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 = λ/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.

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 = λ/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 ¼ Abstand zur Vorderwand aufstellen kann (praktisch schon wohl kompliziert durchzuführen), würde man den Bassbereich fast ideal haben.

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