Nachhall - Reverberation

Hall auf einer Gitarre

Nachhall ist in der Psychoakustik und Akustik eine Persistenz des Klangs, nachdem der Klang erzeugt wurde. Ein Nachhall oder Hall entsteht, wenn ein Ton oder ein Signal reflektiert wird, wodurch sich zahlreiche Reflexionen aufbauen und dann abklingen, wenn der Ton von den Oberflächen von Objekten im Raum absorbiert wird – zu denen Möbel, Personen und Luft gehören können. Dies ist am deutlichsten , wenn die Schallquelle stoppt aber die Reflexionen weiterhin, ihre Amplitude abnimmt, bis Null erreicht ist.

Der Nachhall ist frequenzabhängig: Die Länge des Abklings oder der Nachhallzeit wird bei der architektonischen Gestaltung von Räumen, die bestimmte Nachhallzeiten haben müssen, um eine optimale Leistung für ihre beabsichtigte Aktivität zu erzielen, besonders berücksichtigt. Im Vergleich zu einem deutlichen Echo , das mindestens 50 bis 100 ms nach dem vorherigen Schall erkennbar ist  , ist der Nachhall das Auftreten von Reflexionen, die in einer Abfolge von weniger als ca. 50 ms eintreffen. Im Laufe der Zeit nimmt die Amplitude der Reflexionen allmählich auf nicht wahrnehmbare Werte ab. Der Nachhall ist nicht auf Innenräume beschränkt, wie er in Wäldern und anderen Außenumgebungen vorkommt, in denen Reflexion vorhanden ist.

Nachhall tritt auf natürliche Weise auf, wenn eine Person in einem Saal oder Aufführungsraum mit schallreflektierenden Oberflächen akustisch singt, spricht oder ein Instrument spielt. Der Nachhall wird künstlich auf die Verwendung von Nachhalleffekten angewendet , die den Nachhall durch Mittel wie Echokammern , durch Metall übertragene Vibrationen und digitale Verarbeitung simulieren .

Obwohl der Nachhall dem aufgenommenen Klang Natürlichkeit verleihen kann, indem er ein Raumgefühl hinzufügt, kann er auch die Sprachverständlichkeit verringern , insbesondere wenn auch Rauschen vorhanden ist. Menschen mit Hörverlust, einschließlich Hörgeräteträgern , berichten häufig von Schwierigkeiten beim Verstehen von Sprache in hallenden, lauten Situationen. Auch bei der automatischen Spracherkennung ist der Nachhall eine wesentliche Fehlerquelle .

Enthallung ist der Prozess, bei dem der Nachhall in einem Ton oder Signal reduziert wird.

Nachhallzeit

Schallpegel in einem durch einen Impuls angeregten Hallraum als Funktion der Zeit (sehr vereinfachtes Diagramm)

Die Nachhallzeit ist ein Maß für die Zeit, die der Schall benötigt, um in einem umschlossenen Bereich nach dem Aufhören der Schallquelle zu „verklingen“.

Wenn es darum geht, die Nachhallzeit mit einem Messgerät genau zu messen, wird der Begriff T 60 (eine Abkürzung für Nachhallzeit 60 dB) verwendet. T 60 bietet eine objektive Messung der Nachhallzeit. Sie ist definiert als die Zeit, die es dauert, bis der Schalldruckpegel um 60  dB abfällt , gemessen nach dem abrupten Ende des erzeugten Testsignals.

Die Nachhallzeit wird häufig als Einzelwert angegeben, wenn sie als Breitbandsignal (20 Hz bis 20 kHz) gemessen wird. Da es jedoch frequenzabhängig ist, kann es in Bezug auf Frequenzbänder (eine Oktave, 1/3 Oktave, 1/6 Oktave usw.) genauer beschrieben werden. Da sie frequenzabhängig ist, unterscheidet sich die in schmalen Bändern gemessene Nachhallzeit je nach gemessenem Frequenzband. Für die Genauigkeit ist es wichtig zu wissen, welche Frequenzbereiche durch eine Nachhallzeitmessung beschrieben werden.

Ende des 19. Jahrhunderts begann Wallace Clement Sabine an der Harvard University mit Experimenten, um den Einfluss der Absorption auf die Nachhallzeit zu untersuchen. Mit einer tragbaren Windlade und Orgelpfeifen als Schallquelle, einer Stoppuhr und seinen Ohren maß er die Zeit von der Unterbrechung der Quelle bis zur Unhörbarkeit (ein Unterschied von etwa 60 dB). Er fand heraus, dass die Nachhallzeit proportional zu den Raumabmessungen und umgekehrt proportional zur vorhandenen Absorptionsmenge ist.

Die optimale Nachhallzeit für einen Raum, in dem Musik gespielt wird, hängt von der Art der Musik ab, die in dem Raum gespielt werden soll. Sprachräume benötigen in der Regel eine kürzere Nachhallzeit, damit Sprache besser verstanden werden kann. Wenn der reflektierte Ton einer Silbe immer noch zu hören ist, wenn die nächste Silbe gesprochen wird, kann es schwierig sein, das Gesagte zu verstehen. "Katze", "Kabine" und "Kappe" mögen alle sehr ähnlich klingen. Ist die Nachhallzeit hingegen zu kurz, können tonale Balance und Lautstärke leiden. Halleffekte werden in Studios häufig verwendet , um Klängen mehr Tiefe zu verleihen. Der Nachhall verändert die wahrgenommene spektrale Struktur eines Klangs, ändert jedoch nicht die Tonhöhe.

Grundlegende Faktoren, die die Nachhallzeit eines Raumes beeinflussen, sind die Größe und Form des Gehäuses sowie die bei der Konstruktion des Raumes verwendeten Materialien. Jeder Gegenstand, der innerhalb des Gehäuses platziert wird, kann diese Nachhallzeit ebenfalls beeinflussen, einschließlich Personen und deren Habseligkeiten.

Messung

T20-Wert automatisch bestimmen - 5dB Trigger - 20dB Messung - 10dB Headroom zum Grundrauschen.

Historisch konnte die Nachhallzeit nur mit einem Pegelschreiber (einem Plotter, der den Geräuschpegel über der Zeit auf einem sich bewegenden Papierband aufzeichnet) gemessen werden. Es wird ein lautes Geräusch erzeugt, und wenn der Ton verklingt, zeigt die Spur auf dem Pegelschreiber eine deutliche Steigung. Die Analyse dieser Steigung zeigt die gemessene Nachhallzeit. Einige moderne digitale Schallpegelmesser können diese Analyse automatisch durchführen.

Es gibt mehrere Methoden zur Messung der Nachhallzeit. Ein Impuls kann gemessen werden, indem ein ausreichend lautes Geräusch erzeugt wird (das einen definierten Cut-Off-Punkt haben muss). Impulsrauschquellen wie beispielsweise ein leerer Pistolenschuß oder Ballon platzen können die Impulsantwort eines Raumes zu messen , verwendet werden.

Alternativ kann ein Zufallsrauschsignal wie rosa Rauschen oder weißes Rauschen über einen Lautsprecher erzeugt und dann abgeschaltet werden. Dies wird als unterbrochene Methode bezeichnet, und das gemessene Ergebnis wird als unterbrochene Reaktion bezeichnet.

Ein Zweitor-Messsystem kann auch verwendet werden, um in einen Raum eingebrachtes Rauschen zu messen und es mit dem, was anschließend im Raum gemessen wird, zu vergleichen. Betrachten Sie den Ton, der von einem Lautsprecher in einen Raum reproduziert wird. Der Schall im Raum kann aufgezeichnet und mit dem, was an den Lautsprecher gesendet wurde, verglichen werden. Die beiden Signale können mathematisch verglichen werden. Dieses Zweitor-Messsystem verwendet eine Fourier-Transformation , um die Impulsantwort des Raums mathematisch abzuleiten. Aus der Impulsantwort lässt sich die Nachhallzeit berechnen. Die Verwendung eines Zweitorsystems ermöglicht die Messung der Nachhallzeit mit anderen Signalen als lauten Impulsen. Musik oder Aufzeichnungen anderer Klänge können verwendet werden. Dies ermöglicht Messungen in einem Raum, nachdem das Publikum anwesend war.

Unter gewissen Einschränkungen können auch einfache Schallquellen wie Handklatschen zur Messung des Nachhalls verwendet werden

Die Nachhallzeit wird üblicherweise als Abklingzeit angegeben und in Sekunden gemessen. Es kann keine Aussage über das bei der Messung verwendete Frequenzband geben. Die Abklingzeit ist die Zeit, die das Signal benötigt, um 60 dB unter den Originalton zu sinken. Insbesondere bei tieferen Frequenzen ist es oft schwierig, genug Schall in den Raum einzuspeisen, um einen Abfall von 60 dB zu messen. Bei linearem Abfall genügt es, einen Abfall von 20 dB zu messen und die Zeit mit 3 zu multiplizieren, oder einen Abfall von 30 dB und die Zeit mit 2 zu multiplizieren. Dies sind die sogenannten T20- und T30-Messverfahren.

Die Nachhallzeitmessung RT 60 ist in der Norm ISO 3382-1 für Veranstaltungsräume, der Norm ISO 3382-2 für normale Räume und der ISO 3382-3 für Großraumbüros sowie der Norm ASTM E2235 definiert.

Das Konzept der Nachhallzeit geht implizit davon aus, dass die Abklingrate des Schalls exponentiell ist, so dass der Schallpegel regelmäßig mit einer Rate von so vielen dB pro Sekunde abnimmt. In realen Räumen ist dies je nach Anordnung der reflektierenden, dispersiven und absorbierenden Oberflächen nicht oft der Fall. Darüber hinaus führt die sukzessive Messung des Schallpegels oft zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen, da sich Phasenunterschiede im anregenden Schall in deutlich unterschiedlichen Schallwellen aufbauen. 1965 veröffentlichte Manfred R. Schroeder im Journal of the Acoustical Society of America "Eine neue Methode zur Messung der Nachhallzeit" . Er schlug vor, nicht die Kraft des Schalls, sondern die Energie zu messen, indem man ihn integriert. Dies ermöglichte es, die Variation der Abklingrate aufzuzeigen und den Akustiker von der Notwendigkeit zu befreien, viele Messungen zu mitteln.

Sabine-Gleichung

Die Nachhallgleichung von Sabine wurde Ende der 1890er Jahre auf empirische Weise entwickelt. Er stellte eine Beziehung zwischen dem T 60 eines Raumes, seinem Volumen und seiner Gesamtaufnahme (in Sabins ) her. Dies ist durch die Gleichung gegeben:

.

wobei c 20 die Schallgeschwindigkeit im Raum (bei 20 °C), V das Raumvolumen in m 3 , S Gesamtfläche des Raumes in m 2 , a der durchschnittliche Absorptionskoeffizient der Raumoberflächen ist und das Produkt Sa ist die Gesamtaufnahme in Sabinen.

Die Gesamtabsorption in Sabins (und damit die Nachhallzeit) ändert sich im Allgemeinen in Abhängigkeit von der Frequenz (die durch die akustischen Eigenschaften des Raums definiert wird). Die Gleichung berücksichtigt weder die Raumform noch die Verluste durch den Schall, der sich durch die Luft ausbreitet (wichtig in größeren Räumen). Die meisten Räume absorbieren im unteren Frequenzbereich weniger Schallenergie, was zu längeren Nachhallzeiten bei niedrigeren Frequenzen führt.

Sabine kam zu dem Schluss, dass die Nachhallzeit vom Reflexionsvermögen des Schalls von verschiedenen Oberflächen im Saal abhängt. Bei kohärenter Reflexion ist die Nachhallzeit des Saals länger; Der Ton wird länger brauchen, um auszusterben.

Die Nachhallzeit RT 60 und das Raumvolumen V haben großen Einfluss auf den kritischen Abstand d c (Bedingungsgleichung):

wobei die kritische Distanz in Metern, das Volumen in m³ und die Nachhallzeit RT 60 in Sekunden gemessen wird .

Eyring-Gleichung

Eyrings Nachhallzeitgleichung wurde 1930 von Carl F. Eyring von Bell Labs vorgeschlagen . Diese Gleichung zielt darauf ab, die Nachhallzeit in kleinen Räumen mit relativ großer Schallabsorption, die von Eyring als "tote" Räume bezeichnet wurden, besser abzuschätzen. Diese Räume haben tendenziell geringere Nachhallzeiten als größere, akustisch lebendigere Räume. Die Eyring-Gleichung ähnelt in ihrer Form der Sabine-Gleichung, enthält jedoch Modifikationen, um den Absorptionsterm logarithmisch zu skalieren . Die Einheiten und Variablen innerhalb der Gleichung sind die gleichen wie für Sabines Gleichung definiert. Die Eyring-Nachhallzeit ergibt sich aus der Gleichung:

.

Die Eyring-Gleichung wurde aus den ersten Prinzipien unter Verwendung eines Bildquellenmodells der Schallreflexion entwickelt, im Gegensatz zu Sabines empirischem Ansatz. Die experimentellen Ergebnisse von Sabine stimmen im Allgemeinen mit der Eyringschen Gleichung überein, da die beiden Formeln für sehr lebendige Räume, in denen Sabine arbeitete, identisch werden. Für kleinere Räume mit großen Absorptionsmengen gilt jedoch die Eyring-Gleichung. Aus diesem Grund wird die Eyring-Gleichung häufig verwendet, um die Nachhallzeit in Tonstudio- Regieräumen oder anderen kritischen Hörumgebungen mit hoher Schallabsorption abzuschätzen . Die Sabine-Gleichung neigt dazu, die Nachhallzeit für kleine Räume mit hoher Absorption zu überschätzen. Aus diesem Grunde Nachhallzeit Rechner für kleinere Aufnahmestudio Umgebungen zur Verfügung, wie Aufnahme Haus Studios, nutzt oft Eyring-Gleichung.

Absorptionskoeffizient

Der Absorptionskoeffizient eines Materials ist eine Zahl zwischen 0 und 1, die den Anteil des Schalls angibt, der von der Oberfläche absorbiert wird im Vergleich zu dem Anteil, der in den Raum zurückreflektiert wird. Ein großes, vollständig geöffnetes Fenster würde keine Reflexion bieten, da jeder Schall, der es erreicht, direkt nach außen dringt und kein Schall reflektiert würde. Dies hätte einen Absorptionskoeffizienten von 1. Umgekehrt wäre eine dicke, glatt lackierte Betondecke das akustische Äquivalent eines Spiegels und hätte einen Absorptionskoeffizienten nahe 0.

In Musik

The Atlantic beschrieb den Nachhall als "wohl den ältesten und universellsten Klangeffekt in der Musik", der bereits im Klartext des 10. Jahrhunderts in der Musik verwendet wurde. Komponisten wie Bach schrieben Musik, um die Akustik bestimmter Gebäude auszunutzen. Gregorianischer Gesang hat sich möglicherweise als Reaktion auf die lange Nachhallzeit von Kathedralen entwickelt , die die Anzahl der Noten begrenzt, die gesungen werden können, bevor sie sich chaotisch vermischen.

Künstlicher Nachhall wird mit Halleffekten auf den Klang angewendet . Diese simulieren Hall durch Mittel wie Echokammern , Vibrationen, die durch Metall gesendet werden, und digitale Verarbeitung.

Siehe auch

Verweise

Externe Links