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Schlagwort: Raumklang

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Was Nachhall wirklich ist

Skizze des Lecture Room, Fogg Art Museum; 1900
Lecture Room; Wallace C. Sabine, 1900

Wallace C. Sabine umschrieb die Schallrückwürfe in einem Raum als „eine Vielzahl von Klangereignissen, die den gesamten Raum erfüllen und ummöglich auf ihre verschiedenen Reflexionen hin analysiert werden können“. (Sabine, Wallace C.: Reverberation; The American Architect, 1900 – Seite 9).

Ich mache bewusst einen Bogen darum, ‚reverberation‘ mit „Nachhall“ zu übersetzen. Denn gemeint ist im Kontext der Darstellungen das gesamte Widerhallen, das in einem Raum zustande kommt. Gemeint sind alle Formen von Schallrückwürfen, die sich in einem Raum ereignen.

Tatsächlicher Nachhall – also nicht das, was die Physik als Nachhall auffasst – umfasst klare und in einer solchen Weise „gerichtete“ Reflexionen an Flächen, dass sie ein mehr oder minder unverändertes Zweit- oder Vielfachsignal darstellen. Je nach deren zeitlicher Verzögerung wird das Ursprungssignal günstig verstärkt oder etwaig nachteilig überlagert. – Nachhall ist sozusagen „der kleine Bruder“ des Echos.

„Nachhall“ ist NICHT = Nachhall

Grob kann man sich drei Kategorien der Schallereignisse in einem Raum vor Augen führen. Eben jenen tastächlichen „Nachhall“, dann die Diffusion – und schließlich jenen Störschall, der in den Raumkanten entsteht.

Was man heutzutage als „Nachhallzeit“ misst, ist die Abklingdauer des GESAMTSCHALLEREIGNISSES in einem Raum. Als wiederum EIN Teil dieses Gesamtschallereignisses kann aber schon die Diffusion – das heißt die ungerichtete Reflexion von Schallenergie – nicht mehr dem Nachhall zugerechnet werden. Denn die Diffusion kodiert, trotz ihres Gehaltes an SchallENERGIE, keine klare SchallINFORMATION.

Besonders aber muss man nun die Raumkanten hervorheben. Denn nur auf den ersten Blick stellen die Rückwürfe von Schallenergie aus den Raumkanten und Raumecken heraus ebenfalls Diffusion dar.

Im Wesentlichen durch zwei Aspekte jedoch unterscheidet sich der Raumkanteneffekt von der Diffusion:

ERSTENS. Die Schallenergie wird von den Raumkanten nicht einfach gestreut reflektiert, sondern vielmehr wie in einem Trichter eingesammelt – und sogar nicht allein addiert, sondern potenziert, das heißt: exponentiell verstärkt.

Raumkante entstören…

ZWEITENS. In der Raumkante treten Effekte der Frequenzmodulation und der untypischen Rythmisierung auf, so dass eigenständige Klangmuster auftreten, die vom ursprünglichen Informationsgehalt des Schalls erheblich abweichen.

… und Raumkante zugleich nutzbar machen

ReFlx®-System: das Konzept, der Doppelreflektor in der Raumkante
das Konzept: der Doppelreflektor in der Raumkante

Nun tritt für die so genannt „kleinen“ Räume (das sind solche Räume mit einen Volumen bis 250 Kubikmetern) noch das zusätzliche Problem auf, dass der Einfluss der Raumkanten und -ecken umso dominanter auf den Gesamtschall einwirkt, je KLEINER der Raum ist. … so dass die so genannte „Nachhallzeit“ einen umso geringeren Aussagewert besitzt, je kleiner ein Raum ist.

Um sich diesen Zusammenhang einmal geometrisch vor Augen zu führen, bedarf es keinerlei komplexer mathematischer Berechnungen: Die Fähigkeit, Flächen und Volumina im rechtwinkligen Kubus zu berechnen reicht aus, um in Zahlenwerten zu veranschaulichen, wie das Verhältnis der Raumkantenstrecken zu den Flächen innerhalb eines Raumes immer ungünstiger wird, je kleiner der Raum ist.

Bereits im Jahre 1900, als Wallace C. Sabine jene heute so genannte „Sabine’sche Formel“ im The American Architect mittels seiner schlicht betitelten Publikation „Widerhall“ öffentlich gemacht hatte, hatte er zugleich auch seine Zweifel daran zum Ausdruck gebracht und gut begründet, ob diese Berechnungsmethode der Praxis hinreichend standhalten würde.

Es besteht kein Zweifel, dass Sabine auch Unheilvolles niedergeschrieben hat, das bis heute verheerend nachwirkt. So etwa, dass „die Wirksamkeit eines Absorbers unabhängig von seiner Position“ sei, wenn das Problem der Widerhall sei. Das stimmt nicht so ganz – und man weiß das heute auch. So ist seit Langem und umfassend bekannt, dass eine gleiche „Menge“ Absorber, in den Raumkanten positioniert, den Nachhall stärker senkt als an irgendeiner anderen Stelle im Raum. Oder man weiß längst, dass eine schwache Bedämpfung in den Raumkanten aber den Raum bereits spürbar entstört – was mit Absorption an beliebigen anderen Stellen im Raum nicht gelingt.

Aber bei der Bedämpfung gerade kleiner Räume findet das keine Berücksichtigung.

Absorption verschlingt die Obertöne

Andererseits hatte Wallace C. Sabine bereits in dieser Schrift – und dann in späteren Publikationen mit anderen Fakten untermauert wiederholt – darauf hingewiesen, dass und in wie starker Relation die Obertöne durch die Absorption in Mitleidenschaft gezogen wurden.

(Beitragsbild reproduktiv entnommen: Sabine, Wallace C.: Collected Papers on Acoustics; Forgotten Books 2012)

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Nerven schonen…

Der nervenaufreibende „Lärm“ in Räumen entsteht in den Raumkanten – nicht zwischen den Begrenzungsflächen eines Raumes. Wegen des besonderen Störpotenzials der Raumkanten sind es also diese, auf die man zu allererst schauen muss.

… statt Absorption auf Teufel-komm‘-raus

Was in der Raumakustik als „Stand der Technik“ und was als „Stand der Wissenschaften“ gilt, wäre böswillig, wenn es nicht schlicht ein Irrtum wäre:

Es ist sachlich nicht richtig, dass ein kurzer Nachhall für die Klarheit von Raumklang und eine so genannt „gute Hörsamkeit“ sorge. Sondern der Nachhall ist ein subjektiv sehr unterschiedlich empfundenes Kriterium für so etwas wie akustischen Komfort.

Und über diesen Komfort hinaus: In der Musik prägt so etwas wie Nachhall maßgeblich Klangbild, Charakter und Ausdruck – ist also ein zentrales Gestaltungsmittel. Aber auch für die Musik gilt: Nicht der Nachhall wirkt sich störend oder zerstörend aus – sondern wiederum das besondere Störpotenzial der Raumkante.

Und allen Musikschaffenden muss es ein Graus sein, dass man pauschal für Musikräume mehr Nachhall als ideal proklamiert. Denn weil man den Raumkanten keine Beachtung schenkt, bedeutet „mehr Nachhall“ schlicht und ergreifend mehr Störschall.

das ReFlx-System während der Montage
eine Variante des ReFlx®-Systems: Montage-Zwischenschritt zeigt das Trägerelement

Auch ist nicht richtig, dass die Senkung des Nachhalls für Klangqualität und Komfortgefühl sorgt. Sondern ein geringer Nachhall verschlingt die mittleren und höheren Frequenzen. Deshalb klingen Räume umso muffiger, dumpfer, beengter, je stärker sie bedämpft werden.

Das liegt wiederum maßgeblich daran, dass bisher Absorption IMMER auch für ein Missverhältnis zwischen den Schallenergien in den unterschiedlichen Frequenzen gesorgt hat. – Und ich sage „bisher“, weil es seit erst kurzer Zeit einen (ebenfalls schallharten) Absorber gibt, der all diese negativen Eigenschafen NICHT besitzt, obwohl er eindeutig ein „Absorber“ ist!

All das – bis auf diesen neuartigen Absorber – 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.“

Auch die kritischen Betrachtungen, die Wallace C. Sabine schon vor über 100 Jahren gegenüber der Absorption beigetragen hatte, könnten für die Wissenschaft Ansporn genug sein, der Absorption eine deutlich verstärkte Aufmerksamkeit zu schenken.

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 um nicht weniger als die bloße Energie.

Schall erliegt in Abhängigkeit von den Frequenzen in unterschiedlichem Maße sowohl allein schon der Luftdämpfung, als auch der Absorption durch unterschiedliche Materialien und Körper (im weitesten Sinne: von anwesenden Personen bis zu Gegenständen aller Art oder auch baulichen Gegebenheiten). Dabei allerdings ist, von „Wellenlängen“ auszugehen, ein Irrweg und eine fehlerhafte Modellvorstellung.

entspanntes Sprechen und Hören schont die Nerven

Die Installation des ReFlx®-Systems bewirkt, dass ruhig gesprochen werden kann.

Die oberen Mittenfrequenzen und die hohen Frequenzen – die allein durch die Luftdämpfung ab ca. 4 Metern Entfernung zu originär Sprechenden bzw. zu einer 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 – nun auf eine Schulklasse 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 „wie von selbst“ zu einer effektiveren Unterrichtung. – Und zu ECHTER Chancengleichheit für Kinder und Jugendliche.

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

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gern komplett schallhart

Unter Fachleuten kostet es einige wenige kaum ein Schulterzucken. Andere aber reagieren irgendwo mit Erstaunen, gar mit brüsker Zurückweisung: Der negative Einfluss der Raumkanten auf die Raumakustik lässt sich auch schallhart ausschalten?

Einmal ganz abgesehen davon, dass man vielfach meinen Ansatz zwar höflich respektiert… als einen weiteren von bereits vielen vorhandenen Kantenabsorbern. – Aber man vertritt auch gern die Ansicht, ich bewertete für die Raumakustik den Einfluss der Raumkanten völlig über. Und SCHALLHART sei einem Raum schon gar nicht beizukommen.

Was auf den ersten Blick paradox klingen mag, erscheint nur deshalb widersprüchlich, weil man uns seit Jahrzehnten eingeschworen hat auf die (vermeintlich) positive Kraft der Absorption: nicht zuletzt – wenn nicht gar maßgeblich – vermittels und Kraft DIN 18041.

Das muss man erst einmal hinter sich lassen…

Um die „Hypothese“ zu überprüfen, hatte ich in 2020 diverse Versuche mit schallharten Materialien durchgeführt, u. a. mit Feinsteinzeugen (weil diese günstiger verfügbar sind als Glas, bei fast gleicher spezifischer Dichte).

Versuche mit verzinktem Stahlblech

Raumakustik schallhart optimieren

Für Versuche mit Stahl habe ich 1 mm dünnes, verzinktes Stahlblech auf nur 8 mm dünne, rohe Spanplatten geklebt und geschraubt. Die Klebung vermied dabei partielle Schwingungen des Stahlblechs. Und der dünnen Spanplatte nahm ich die Eigenresonanz, indem ich rückwärtig partiell „STEICO base“ in nur 20 mm Stärke aufleimte. – Weder habe ich hierbei einen zweiten, innen liegenden Reflektor, noch weiteres Absorbermaterial am Träger eingesetzt.

in der Versuchsanordnung: schwach gedämpfter Reflektor mit Frontseite aus Stahlblech

Resultat all dieser unterschiedlichen Versuche war, dass auch ein einzelner Reflektor den negativen Einfluss der Raumkanten bereits weitreichend unterdrückt.

Dabei muss man aber berücksichtigen, dass ich in dieser Anordnung nur die sich gegenüberliegenden Raumkanten mit den Reflektoren ausgestattet hatte, nicht hingegen die kürzeren Seiten, so dass insgesamt die Versuchsanordnung noch nicht einmal ideal war.

C-Cases bereits hoch effektiv

Erst nach Abschluss zahlreicher Versuche mit verschiedenen Materialien und unterschiedlicher Anordnung von zusätzlichem innenliegendem Reflektor resp. zusätzlicher innenliegender Anordnung von Absorbermaterial (auf der Rückseite des Reflektors oder an der Trägerkomponente) und nach einem Versuchsaufbau mit prototypisch hergestellten C-Cases habe ich den ersten Klassenraum mit den C-Cases ausgestattet – und habe die Entwicklung des ReFlx®-Systems bereits einfließen lassen:

Raum 116 der Städtischen Realschule Waltrop ist mit 27 C-Cases und 17 von mir so benannten „Brückenstücken“ ausgestattet (letztere keinen Resonanzkörper mehr haben, sondern als reine Reflektoren mit Resonanzdämpfung jeweils zwischen zwei C-Cases hängen – womit diese Bauteile dem ReFlx®-System bereits voll entsprechen).

R 116 der Städt. Realschule Waltrop, ausgestattet mit C-Cases

Diese Vorgehensweise konnte ich auch Kosten reduzierend an den Schulträger weiterreichen – und zugleich das Konzept des ReFlx®-Systems in der praktischen Anwendung als richtig belegen.

Trotz Frontflächen von „nur“ 312 mm Höhe ist hier für die Raumakustik bereits der bedeutende Sprung nach vorn gelungen: Resultat ist auch schon hier eine außerordentlich gute Sprachverständlichkeit. – Dennoch habe ich die Erfahrungen aus diesem Raum genutzt, um das ReFlx®-System weiter zu optimieren, ehe ich es in weiteren Räumen eingesetzt habe.

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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 und seit Langem) so bekannt – und bewusst.

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

Zudem setzt DIN 18041 den Nachhall als Kriterium fest: „Im Sinne dieser Norm ist die frequenzabhängige Betrachtung der Nachhallzeit zwingend erforderlich.“ (DIN 18041:2016-03; 4.2.3 – Anforderungen an die Nachhallzeit)

„normale“ Sprache trägt nur 4 Meter weit

Glaubt man dem Wortlaut der Norm, dann reicht der Direktschall der Sprache aus, um in Räumen bis ca. 10 m Tiefe für eine gute Sprachverständlichkeit zu sorgen. Und laut DIN 18041 können folglich Räume bis 250 Kubikmetern Raumvolumen nie zu stark bedämpft werden.

Deshalb wird ausdrücklich empfohlen, Absorption in durchschnittlich großen Klassenräumen möglichst vollflächig über absorbierende Decken, bei Inklusion auf jeden Fall zusätzlich über eine Schall absorbierende Rückwand einzubringen. (DIN 18041:2016-03; „4.2.3 – Anforderungen an die Nachhallzeit“ und „5.2 – Volumenkennzahl“)

Nun habe ich einen solchen Raum (mit vollflächig bedämpfender Decke gemäß DIN 18041, noch in der Fassung 05/2004) mit meinem ReFlx®-System zusätzlich ausgestattet bzw. nachgerüstet. Das Resultat ist ein ruhiger Raum – in dem jetzt (trotz einer gewissen „Dumpfheit“ des Klangs) eine extrem klare Sprachverständlichkeit herrscht. – So musste man die (zu) starke Deckenbedämpfung nicht demontieren und entsorgen, um für Chancengleichheit (schülerseitig) und den optimalen Arbeitsschutz (für Lehrkräfte) zu sorgen.

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

Solche Ratschläge der Norm werden in der Publikation „Hörsamkeit in Räumen“ von 2018 (Chr. Nocke [Hrsg.]: Hörsamkeit in Räumen – Kommentar zu DIN 18041; Beuth, 2018) bereits einleitend sogar als gesetzlich verbindlich beschrieben. Eine Anmaßung sondergleichen – insbesondere, wenn man bedenkt, dass mindestens für die 2. Novelle der Norm (Ausgabe 2016) versucht worden war, den Einfluss der Raumkanten in die Norm aufzunehmen. Tatsächlich ist dieses Engagement erfolgreich abgewehrt worden: Einzig 1 x finden Raumkanten in der Norm eine eher verwirrende Erwähnung.

„Schallabsorber mit bevorzugter Wirksamkeit im tieffrequenten Bereich sind in Schallquellennähe, in Raumecken oder -kanten besonders wirksam“, so ist in DIN 18041:2016-03 zu lesen (Ordnungspunkt 5.4 – Positionierung akustisch wirksamer Flächen; Seite 19 der Norm). Das wird dem Sachverhalt nicht im geringsten gerecht, allein schon, weil die Anspielung auf tiefe Frequenzen die Sicht auf die Raumkante verzerrt darstellt.

Auch zwei andere Räume der Städt. Realschule Waltrop weisen eine extrem gute Sprachverständlichkeit dank ReFlx-System auf. Beide Räume sind komplett schallhart belassen worden und weisen einen Nachhall deutlich über der Norm auf – bieten aber dennoch eine Klarheit von Sprache, von der auch Personen in außerordentlichem Maße provitieren, deren Hörfähigkeit bereits deutlich beeinträchtigt ist, die also so genannt „schwerhörig“ sind. – Für Raum 122 ist ein Gutachten erstellt worden, das den deutlichen Nachhall ebenso objektiviert, wie die außerordentliche Sprachdeutlichkeit (STI-Werte). Die Sprachverständlichkeit ist „ausgezeichnet“ gut – und vor allem gleichmäßig im gesamten Raum präsent.

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

Was macht gute Sprachverständlichkeit aus?

Sprache trägt nur über eine Distanz von 3 bis 4 Metern wirklich gut und klar, nämlich mit hinreichender Energie – weil die höheren Frequenzen überproportional der Luftdämpfung erliegen. Bei größeren Distanzen leiden die höheren Frequenzen am stärksten – und damit genau jene Frequenzen, die Sprachkodierung tragen. Die Stimmhaftigkeit von Sprache ist ein Hilfsmittel, aber kein Charakteristikum für Sprache.

Fände nicht im Mundraum eine dezidierte Lautbildung statt, so könnten auch die Vokale – die so genannt „Stimmhaften“ – gar nicht voneinander unterschieden werden. Die Stimmlippen bringen allein das Fundament hervor, den Grundton der Stimme. Sie modulieren hingegen den sprachlichen Kodierungsinhalt in keiner Weise.

Nun geht aber ein geringer Nachhall zwangsläufig einher mit starker Absorption – insbesondere der mittleren und höheren Frequenzen, und damit genau der Sprachkodierung. Je schwächer der Nachhall, je kürzer die Nachhallzeiten, desto mehr leidet die Sprachverständlichkeit. Das ist genau das Gegenteil von dem, was die Norm – DIN 18041 – mit so genannter „Bedämpfung“ verspricht.

Bereits Wallace C. Sabine hatte – nicht nur einmal, aber bereits erstmalig in einer Publikation im Jahre 1906 – darauf hingewiesen, dass mit zunehmender Tonhöhe die Obertöne umso mehr in Mitleidenschaft gezogen wurden, je mehr Schall absorbierende Objekte oder Körper in einen Raum gebracht wurden. Seien das nun Stuhlpolsterungen oder Vorhänge gewesen, oder schließlich ein zahlreiches Publikum.

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Verdeckte Kante ist die neue KLARE KANTE

Klare Kante – das ist das neue Konzept für Innenarchitketur und Raumgestaltung. Klare Kante durch verdeckte Kante. Denn Raumkanten zu verdecken mit dem ReFlx®-System von Raumakustik Premium bedeuetet: eine klare Raumakustik – und zugleich eine neue Ästhetik.

Mit dem neuen akustischen Konzept – dem ReFlx®-System – lässt sich Lärm in allen Räumlichkeiten bewältigen.

Gleichzeitig kommt die Ästhetik nicht zu kurz: Die nicht bündig bis in die Raumkanten hineinreichenden Reflektorschilde lassen sich spielend an die Raumumgebung anpassen bzw. mit ihnen können bewusst eigenständige Akzente gesetzt werden. Schlussendlich lassen sich zum Beispiel spannende indirekte Beleuchtungskonzepte integrieren, die die Räumlichkeiten zurückhaltend ausleuchten.

Entwurf für die Umrüstung eines Treppenflures

Vor allem aber wird so den Räumen die Großzügigkeit und Weite bewahrt, die man auch visuell wahrnimmt: Hören und Sehen ergibt einen übereinstimmenden Gesamteindruck. Zugleich ist „Lärm“ in jeglichen Räumen „Schnee von gestern“:

Laut bleibt laut. So etwa eine Horde schreiender und quiekender Grundschulkinder, die die Treppe ausgelassen zur Pause hinunter stürmen – oder wenn in einem Klassenraum die Freude über einen bevorstehenden Wandertag ungebremst ist.

Kabelkanäle werden verdeckt, bleiben aber zugänglich: R 1002 der Gesamtschule Waltrop

Unerträglich lärmend aber wird diese Woge der Begeisterung nicht mehr. Weil die Raumkanten die Kinderstimmen nicht mehr verstärken – trotz einer Halligkeit, die noch immer dem betreffenden Raum eine angenehme großzügige Weite verleiht.

Gleichsam „in einem Abwasch“ kann die Innenarchitektur hier neues Potenzial heben und zukunftsweisende Gestaltungsmöglichkeiten aufgreifen, die bisher tabu schienen – nun aber als innovative Impulse in Wettbewerben hervorstechen können.

„verdeckte Kante“ in R 1002 der Gesamtschule Waltrop: extreme Sprachdeutlichkeit + weniger auffällige Heizungsrohre dank ReFlx®-System
Prototyp in Klarglas auf Stahltragern
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