Schall + Raum

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Nachhall oder Raumkante?

Die Raumkante beeinflusst die Akustik eines Raumes durch Störungen stärker als der Nachhall. Bei Messungen hingegen fallen – aus technischen Gründen und bisher – solche Störungen der Raumkanten mit in den sog. Nachhall hinein. … und haben zu dem Missverständnis geführt, dass eine geringe Nachhallzeit auch für gute Sprachverständlichkeit sorge. So lautet es zumindest in der Norm (DIN 18041) – während in der Akustikbranche kein Geheimnis ist: „Ein kurze Nachhallzeit bedeutet noch lange keine gute Sprachverständlichkeit.“

Und also muss man versuchen, die Akustik eines Raumes über andere Daten zu beleuchten, als über die Nachhallzeit…

Im „Prüfbericht mit Begutachtung“ der SG-Bauakustik (Institut für schalltechnische Produktoptimierung; Mülheim/Ruhr) tauchen Messungen zum Ablenkungsabstand und zum Vertraulichkeitsabstand auf. Was hat es damit auf sich?

Zum einen wird der Vertraulichkeitsabstand innerhalb der Norm, DIN 3382-3, gar nicht mehr verwendet. Das aber ist dem Akustiker nicht anzuhängen: Mit Gültigkeit 2022-04 ist eine neue Fassung der Norm herausgebracht worden – jenem Monat, in dem SG-Bauakustik die Messungen vor Ort bereits vorgenommen hatte.

Zum anderen überprüft man mit solchen Messungen üblicherweise die gegenseitigen Störungen mehrerer Personen in einem Raum: in Großraumbüros. – In Kommunikationsräumen werden solche Kriterien eigentlich nicht erfasst.

Ablenkungsabstand

Der ABLENKUNGSABSTAND beschreibt, ab welchem physischen Abstand zu einer sprechenden Person diese so klar klingt, dass man unwillkürlich aus der eigenen Arbeit und Konzentration herausgerissen, nämlich man „abgelenkt“ wird. In Abständen oberhalb dieses Wertes liegen STI-Werte unterhalb von 0,5 vor. – Dieser Abstand beträgt für das ReFlx®-System im untersuchten Raum 49,6 m.

Vertraulichkeitsabstand

Der VERTRAULICHKEITSABSTAND ist jener Abstand zu anderen Personen, in dem auch Teile eines Sprachtextes noch gerade entschlüsselt werden können, also mehr sind als Geräuschkulisse. In diesem Abstand herrscht ein STI-Wert von nur noch 0,2. – Dieser Abstand wird für das ReFlx®-System und im untersuchten Raum mit 101,2 m beschrieben.

Beide Werte machen deutlich, wie extrem klar die für die Sprachverständigung relevanten Frequenzanteile im Gesamtschallereignis enthalten sind. Berücksichtigt man, dass die STI-Werte in der größten und in der kleinsten Distanz am höchsten sind (ca. 2,5 m und ca. 7,5 m), während die Werte in der mittleren Distanz von ca. 4 bis 6 m zumindest in analytischen Zahlenwerten tendenziell schlechter ausfallen, so wird deutlich, wie ausgewogen die Klarheit von Sprache im gesamten Raum durch das ReFlx®-System wird.

Beide Werte – Ablenkungsabstand und Vertraulichkeitsabstand – lassen bereits erahnen, dass etwas bei der Berechnung solcher Werte und Marken nicht ganz stimmig ist: Über diese großen Distanzen würde die Luftdämpfung nämlich längst ihr Übriges tun, ehe diese Abstände physisch erreicht wären.

Schwächen in der Analyse

Vergleichbar sieht es mit der Nachhallzeit aus. An niemanden aus der Akustikbranche erinnere ich mich, der mir nicht eingeräumt hätte, dass eine kurze Nachhallzeit keineswegs zugleich ein Parameter für gute Sprachverständlichkeit sei. Und das ist eher eine Selbstverständlichkeit, als ein Geheimnis in der Branche.

der Nachhall im Kölner Wasserspeicher beträgt 26 Sekunden
Repro (Ausschnitt) vom Innencover der LP „Vor der Flut“ (Publikation 1985): Der Kölner Wasserspeicher, hier nach Sanierung und bei beginnender Flutung.

Blieben also die STI-Werte (speech transmission index), um Sprachverständlichkeit transparenter zu machen. Misslicherweise fließt in die Berechnung der STI-Werte wiederum der Nachhall ein. Der Nachhall hingegen hat zwar etwas zu tun mit dem subjektiven Komfortempfinden, weniger mit der Klarheit von Klang und Sprache. – Wo hier also auch STI-Werte eine eingeschränkte Aussagekraft besitzen, da sollen nun Ablenkungsabstand und Vertraulichkeitsabstand etwas Klarheit in die Analyse bringen: Die Transparenz der Sprache – insbesondere in den mittleren und höheren Frequenzen.

Was ist denn „Nachhall“?

Der Nachhall an sich ist nicht dasselbe, was von Mikrofonen erfasst wird: Mikrofone finden ein Gesamtschallereignis vor, in das auch diffuse und chaotische Reflexionen aus dem Raum – eben jene aus den Raumkanten – mit einfließen. Der eigentliche „Nachhall“ jedoch sind geregelte Rückwürfe, die mehr oder minder klare Schallsignale abbilden (eindrücklichstes Beispiel: das so genannte Echo, das deutlich als Abbild des ursprünglichen Signals wiedererkannt werden kann).

Nachhall – im Gegensatz zum Echo – wiederum ist ein so frühes „Echo“, dass es nicht explizit als getrenntes Schallereignis wahrgenommen wird.

Diffusion führt zu einer starken Zerstreuung von Schallenergie, sodass diese kein Signal mehr darstellt – aber als unterschwelliges Klangvolumen wahrgenommen wird. Die im Kantenvolumen aufgestaute Energie kann eher der Diffusion zugeordnet werden, weil diese ebenfalls kein Signal mehr abbildet. Wiederum diese Energie aus den Raumkanten jedoch muss ausgeschaltet werden, weil die als sehr energiereiche Störung in den Raum geworfen wird.

Der gemessene Nachhall im Kölner Wasserspeicher: 26 sec.

Der lange Nachhall im 1984 zwecks Sanierungsarbeiten trocken gelegten Wasserspeicher etwa hatte wenig mit Diffusion zu tun, weil regelmäßige Wandprofile und eckige Säulen regelmäßige Rückwürfe zulassen – während etwa runde Stützsäulen in Kirchenhallen zusätzlich für Diffusion sorgen.

Die Raumkanten aber – auch wenn sich die Wissenschaft schwer tut, das anzuerkennen – erzeugt durch das konzentrierte „Einsammeln“ bloßer Energie für einen hohen Schalldruck, der allein als chaotisches Geräusch, als Störung, jedoch nicht mehr als „Signal“ in den Raum zurückgeworfen wird.

das ReFlx-System sorgt für außerordentliche Sprachverständlichkeit trotz längeren Nachhalls
Raum 1002 der Gesamtschule Waltrop – mit dem ReFlx®-System

Das ReFlx®-System behebt die Mängel und Unausgewogenheiten des Schalls in einem Raum: Das Störpotenzial der Raumkanten wird ausgeschaltet – und zugleich und mit ein und demselben Element werden die mittleren und höheren Frequenzen optimal unterstützt.

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Nerven schonen…

Zentrum eines Raumes sind – akustisch betrachtet – die Raumkanten: Weil man in der Raumakustik wegen des besonderen Störpotenzials der Raumkanten zuerst auf diese schauen muss.

… statt Absorption auf Teufel-komm‘-raus

Was in der Raumakustik als „Stand der Technik“ und was als „Stand der Wissenschaften“ gilt, ist schlicht ein Irrtum. Irreführung möchte ich damit niemandem unterstellen. Aber weder ist richtig, dass der Nachhall für die Klarheit von Raumklang maßgeblich sei – sondern der Nachhall ist allein ein subjektiv sehr unterschiedlich empfundenes Kriterium für so etwas wie akustischen Komfort.

das ReFlx-System  während der Montage
ReFlx-System: der Montage-Zwischenschritt zeigt das Trägerelement

Noch ist richtig, dass die Senkung des Nachhalls für Klangqualität und Komfortgefühl sorgt. Sondern ein geringer Nachhall verschlingt die mittleren und höheren Frequenzen, und ein Raum klingt muffig und dumpf.

Das ist aber gar nicht neu. Sondern bereits seit Jahrzehnten ist bekannt, was die meisten in der Akustikbranche Tätigen auch gern, mit Amüsement und offen einräumen: „Ist die Nachhallzeit kurz, dann ist die Sprachverständlichkeit noch lange nicht gut, ist der Raumklang nicht zwangsläufig klar und rein…“

Maßgeblich für die Klarheit oder Reinheit von Klang ist das Ausmaß der Bewältigung von Störeinflüssen der Raumkanten UND zugleich das Ausmaß des Ausgleichs von tatsächlicher Schallenergie in den unterschiedlichen Frequenzen. Es geht dabei tatsächlich um nichts weiter als die Energie, denn es gilt, die sehr unterschiedliche Auswirkung der sog. Luftdämpfung auf unterschiedliche Frequenzen (man spricht irreführend von „Wellenlängen“) wirksam in einer solchen Weise auszugleichen, dass ein natürliches Empfinden von Klangereignissen im Raum wiedererlangt wird.

Das ReFlx®-System macht beides in einem Zuge.

entspanntes Sprechen und Hören schont die Nerven

Die Installation des ReFlx®-Systems bewirkt, dass ruhig gesprochen werden kann. Mittlere und höhere Frequenzen – die allein durch die Luftdämpfung ab ca. 4 Metern Entfernung zum Sprecher oder zur Lautsprecherquelle bereits zu stark abgeschwächt sind – werden durch die Reflexion so deutlich verstärkt, dass in durchschnittlich großen und größeren Klassenräumen oder Besprechungsräumen das Verstehen von Sprache an JEDEM Hörort im Raum gleich gut gelingt.

Und umgekehrt kann von jedem beliebigen Ort in einem solchen Klassenraum oder Besprechungsraum ein Einwurf oder ein Beitrag geleistet und wiederum an jedem anderen Hörort im Raum einwandfrei verstanden werden.

gute Hörsamkeit = entspannte Atmosphäre

Das wiederum – nun auf eine Klasse bezogen – führt dazu, dass Lehrkräfte eine deutliche Entlastung verspüren… und entspannt unterrichten. Die Nerven von Lehrkräften zu schonen UND zugleich Schülerinnen und Schülern das Verstehen und die Teilnahme am sprachlichen Austausch zu erleichtern, führt ganz automatisch zu einer effektiveren Unterrichtung. – Und zu einer Chancengleichheit für Kinder und Jugendliche, die man so in Klassenräumen bisher nicht gekannt hat.

Oder, auf Unternehmen oder Verwaltungen bezogen, führt eine gute Raumakustik zu einer entspannten Atmosphäre bei Besprechungen, Verhandlungen, Seminaren…

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Raumakustik ohne Messung optimieren

Die Frage nach der akustischen Messung in Kommunikationsräumen ist schon fast obligatorisch. Weshalb das nicht zum gewünschten Ziel führt:

Gemessen wird in der Regel der Nachhall. Nachhall jedoch ist ein Symptom, eine Sekundärerscheinung, dessen bzw. deren unterschiedlichen Ursprünge im Raum bisher durch Messverfahren nicht exakt auseinander gehalten bzw. nicht exakt lokalisiert werden können. Manchmal wird auch die Sprachverständlichkeit gemessen – deren Werte wiederum errechnet werden unter Einbeziehung des Nachhalls. Folglich besitzen auch die so genannten STI-Werte eine nur eingeschränkt objektive Aussagekraft.

Nachhall: weniger aussagekräftig als Fieber

Die tatsächlich problematischen Bereiche für die Raumakustik sind die Raumkanten (und insbesondere die Raumecken). Selbst bei sehr niedrigem Nachhall können Raumkanten mithin ungehindert ihr Störpotenzial entfalten. Erst so aber wird aus einer Schülerschar, die laut ist, eine lärmende Klasse. – Umgekehrt wiederum, sind die Raumkanten entstört, so beeinträchtigt ein stärkerer Nachhall die Hörsamkeit in einem Raum wenig, wird mithin gar nicht als störend empfunden, sondern als angenehme „Weite“ des Raumes.

umfängliche Ausstattung von Raumkanten und -ecken mit dem ReFlx-System

Und nun übernimmt das ReFlx®-System eine Doppelfunktion: Zum einen wird den Raumkanten bereits durch Abschirmung viel des störenden Potenzials entzogen. Zum anderen wird die störende Energie der Raumkante aufgelöst. – Zugleich aber wird die Raumakustik dadurch verbessert, dass das Missverhältnis zwischen tieferen Frequenzen einerseits, den mittleren bis höheren Frequenzen andererseits ausgeglichen wird durch die reflektierende Funktion des Systems.

Dieses Missverhältnis zwischen den Frequenzen hatte Wallace C. Sabine schon vor über 100 Jahren bemerkt und umfangreich beschrieben. – Während Sabine nun das Problem zwar erkannt hatte, fand er jedoch noch keinen Lösungsansatz, weil ihm die Möglichkeiten fehlten, die Ursachen klar zu analysieren.

Die tieferen Frequenzen zeigen sich (weitestgehend) unbeeindruckt von den Reflektoren, während mittlere und insbesondere höhere Frequenzen stark – und klar gerichtet – reflektiert werden. Das ReFlx®-System macht sich in erster Linie nützliche Erstreflexionen zunutze, nur untergeordnet auch die klärende Wirkung der Diffusion. Hierfür reicht bereits das relativ leichte Fichtenholz, das im abgebildeten Beispiel als sog. Fichte-Dreischichtplatte Anwendung in einem Klassenraum findet.

Messungen der STI-Werte (Sprachverständlichkeitsindex) durch einen unabhängigen Gutachter zeigen für einen Klassenraum sehr deutlich, dass die Sprachverständlichkeit nach Installation des ReFlx®-Systems „ausgezeichnet“ ist – obgleich diese Werte durch den noch relativ deutlichen Nachhall wiederum abgeschwächt werden. Darüber hinaus ist die Klarheit von Sprache an tatsächlich jedem Hörort in der Klasse gleich gut.

das ReFlx-System im selben Raum, an der Rückwand die Wärmeisolation von Heizungsrohren als zusätzliche Schalldämmung einbeziehend
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Raumakustik perfektionieren – mittels ReFlx®-System

Das eigentliche, das Kernproblem für die Raumakustik in kleinen bis mittelgroßen Räumen liegt zwar in den Raumkanten verborgen – lässt sich jedoch nicht allein mit Kantenabsorbern umfänglich bewältigen.

Das ReFlx®-System schlägt sozusagen „zwei Fliegen mit einer Klappe“. Heute nennt man das auch ‚two in one‘. Es erzielt in kleinen bis mittelgroßen Räumen (etwa Klassenräume oder durchschnittlich große Besprechungs- oder Seminarräume) eine außerordentliche Klarheit des Klanges und eine herausragende Sprachverständlichkeit.

Problemzone ‚Raumkante‘

Es ist ein Irrtum, dass – wie in der gängigen Norm (DIN 18041) festgestellt wird – ein geringer Nachhall erforderlich sei, um eine gute Sprachverständlichkeit zu erzielen.

Sondern erstens muss das störende Potenzial der Raumkanten ausgeschaltet werden. Dafür bedarf es noch nicht zwingend der Kantenabsorption, sondern das Energiepotenzial in den Raumkanten kann mit schallharten Reflektoren bezwungen werden.

Zweitens muss man sich die Raumkanten zunutze machen, um das Missverhältnis in unterschiedlichen Frequenzen – das in Innenräumen mit zunehmender Absorption entsteht – angemessen ausgleichen.

Wallace Clement Sabine – * 13.06.1868, † 10.01.1919

Frequenzen unausgewogen

Auf dieses Missverhältnis – das Wallace C. Sabine umso mehr auffiel, je mehr Absorption er in einen Raum eintrug – hatte dieser amerikanische Physiker bereits vor über 100 Jahren bemerkt und umfänglich beschrieben. Dazu im völligen Widerspruch beschränkt man sich darauf, die lückenhafte und extrem vereinfachende Grundformel, die Sabine schon in frühen Jahren formuliert hatte, noch heute in der Raumakustik anzuwenden, um damit die Notwendigkeit starker Absorption zu begründen.

Dabei muss man sich bewusst machen, dass allein schon eine zunehmende Anzahl an Personen (Schülerinnen und Schüler; Teilnehmende an Besprechungen oder Seminaren; Publikum) den Nachhall zwar bedeutsam bis stark senken, aber dabei das störende Potenzial der Raumkanten nicht einmal wenigstens schwach, sondern überhaupt nicht berühren! – Und zwar deshalb, weil Personen in einem Raum allein in einem begrenzten Raumvolumen, nämlich nahe der Bodenebenen den Schall absorbieren, d. h. den Nachhall in mittleren und höheren Frequenzen durch die Absorption reduzieren. In die Raumkanten hinein jedoch gelangt der Schall ungehindert – und baut dort hohen Schalldruck auf. Je nach Besetzungsdichte eines Raumes kann Publikum das Störpotenzial der unteren, den Boden berührenden Raumkanten schwächen oder ausschalten – niemals aber Einfluss nehmen auf die oberen Raumkanten.

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… und es klingt „irgendwie klarer“

… so die spontane Reaktion der beiden Pädagoginnen auf die Ausstattung ihres Klassenraumes mit dem ReFlx-System, als sie aus den Sommerferien zurückkehrten.

Als die Pädagoginnen ihren Klassenraum erstmalig betraten, um sich zum Ende der Ferien hin auf das neue Schuljahr vorzubereiten, war das Erste, was ihnen auffiel, dass der Raum weniger hallig war, als zuvor. „Wir sind erst einmal in drei, vier Nachbarklassen gegangen. Jeder Raum klingt ja etwas anders. Aber…

…eindeutig hat diese Klasse nun weniger Nachhall.“

R 1002 der Gesamtschule Waltrop – ausgestattet mit ReFlx-450|900|35°mx3

Wohl ein bisschen, als könne man den eigenen Ohren nicht mehr trauen, wollten die Pädagoginnen sich durch den Vergleich mit anderen Klassenräumen Gewissheit verschaffen, dass sie sich nicht täuschten. Mit meinem Video habe ich vergleichend festgehalten, was sogleich aufgefallen war, ohne dass bereits Unterrichtsbedingungen im Austausch mit den Schülerinnen und Schülern herrschten.

mit ReFlx-System: jede Hörposition im Raum gleich gut

Schon in diesem Video, also im unbesetzten Raum – und somit vergleichbar mit der Situation, die auch die Pädagoginnen nach den Ferien vorgefunden hatten – zeigt sich der Raum deutlich weniger hallig (immer noch oberhalb der Vorgaben einer DIN 18041, die jedoch wider anderslautende Behauptungen keine verbindliche Richtlinie darstellt). Ganz besonders wird deutlich, dass man in beliebige Richtungen gewandt sprechen kann, ohne dass die Klarheit der Sprache leidet.

ReFlx-System an der Tafelseite; mit Sonderlösung vor der WLAN-Sendeapparatur

Die Weiterentwicklung auf die 90 cm breite Ausführung hat sich im Rahmen der Montage bestens bewährt: In zwei Komponenten aufgeteilt, kann die Montage von einer einzelnen Person auf der Leiter gut bewältigt werden. Der Schritt von 60 cm auf 90 cm bringt einen entsprechend geringeren Gesamtaufwand mit sich: R 1002 der Gesamtschule Waltrop kommt mit nur 23 Elementen auf 9,3 Quadratmeter Reflektorfläche – die rein rechnerisch und sozusagen ’netto‘ 1,53 Kubikmeter Kantenvolumen abschirmen.

im Montageverlauf: rechts noch unverdeckte Trägerkomponenten des ReFlx-Systems

Nun soll der Schulbetrieb erst einmal geregelt starten. In einigen Wochen möchte ich dann erste Erfahrungen und Eindrücke einholen.

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niedriger Nachhall vs. klaren Raumklang

Kurze Nachhallzeiten sind kein Garant für gute Sprachverständlichkeit. Das ist in der Akustikbranche auch zumindest überwiegend so bekannt – und bewusst.

Dennoch spricht DIN 18041 eine andere Sprache – und pocht auf umso kürzere Nachhallzeiten, je höher der Bedarf an guter Sprachverständlichkeit eingeschätzt wird.

„normale“ Sprache trägt nur 4 Meter weit

Glaubt man einer DIN 18041 – und jenen, die diese Norm engagiert vertreten – dann kann das so nicht sein. Denn Klassenräume sind laut DIN 18041 nicht zu groß – und der Direktschall der Sprache reicht aus, um in Räumen bis ca. 10 m Tiefe für eine gute Sprachverständlichkeit zu sorgen – wenn nur für hinreichend Absorption gesorgt sei. Und diese Absorption darf eben in durchschnittlichen Klassenräumen gern vollflächig über die Decke gestellt werden. Laut DIN 18041.

Nun habe ich einen solchen Raum (mit vollflächig bedämpfender Decke gemäß DIN 18041, in der Fassung 05/2004) mit meinem ReFlx-System ausgestattet. Das Resultat ist ein ruhiger Raum – in dem jetzt eine extrem klare Sprachverständlichkeit herrscht. – So musste man die (zu) starke Deckenbedämpfung nicht wieder herausreißen, um für Chancengleichheit (schülerseitig) und den optimalen Arbeitsschutz (für Lehrkräfte) zu sorgen.

Raum 222 der Städt. Realschule Waltrop – mit ReFlx-System nachgerüstet

Auch ein anderer Raum derselben Schule weist nun eine extrem gute Sprachverständlichkeit auf. Der Raum hatte noch keinerlei akustische Ausstattungen erfahren. Nicht nur subjektiv empfunden, sondern sogar ausweislich des Gutachtens ist der Nachhall dort noch immer sehr deutlich präsent. Dennoch ist die Sprachverständlichkeit überragend gut.

Raum 122 der Städt. Realschule Waltrop – mit dem ReFlx-System ausgestattet

Was macht tatsächlich gute Sprachverständlichkeit aus?

Sprache trägt nur über 3 bis 4 Meter Distanz wirklich gut und klar. Bei größeren Distanzen leiden die höheren Frequenzen erheblich – und damit vornehmlich die Konsonanten. Aber das gesprochene Wort funktioniert praktisch nur über die Konsonanten: Die Stimmhaftigkeit von Sprache ist ein Hilfsmittel, aber kein Charakteristikum für Sprache.

Ein geringer Nachhall geht regelmäßig einher mit starker Absorption – insbesondere der mittleren und höheren Frequenzen, und damit genau der Konsonanten. Je schwächer der Nachhall, je kürzer die Nachhallzeiten, desto mehr leidet die Sprachverständlichkeit. Das gilt für alle – aber gerade für Personen, die unter Beeinträchtigungen ihres Hörsinnes leiden. Wer richtig „spitze“ Ohren hat, kann schlechte Sprachverständlichkeit zumindest besser kompensieren.