Produkt: Sound & Recording 12/2019
Sound & Recording 12/2019
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Zur Kompensation von Raummoden

PSI AVAA C20 – Aktiver Bass-Absorber im Test

(Bild: Dieter Stork)

Für Projektstudios oder fürs Home-Recording werden häufig kleine Räume als Arbeitsumgebung genutzt. Um dort ein akustisch angemessenes Verhalten zu erzielen, bedarf es in der Regel einiger raumakustischer Maßnahmen in Form von Absorbern und Diffusoren, die zum einen die Nachhallzeit der Räumlichkeit auf den gewünschten Wert bringen und harte Reflexionen von homogenen schallharten Flächen verhindern.

Entsprechende Absorber in Form von porösen Materialien wie Schaumstoff, Basotect oder Mineralwolle sind ebenso wie Diffusoren unterschiedlicher Größe und Bauform im Fachhandel erhältlich. Die raumakustischen Verhältnisse lassen sich damit für mittlere und hohe Frequenzen meist gut in den Griff bekommen. Schwieriger wird es dagegen bei tiefen Frequenzen, die von einzelnen sogenannten Raummoden dominiert werden. Je nach Aufstellung der Lautsprecher und Position des Hörplatzes kann es vorkommen, dass es bei manchen Frequenzen unschön dröhnt und bei anderen fast nichts am Hörplatz ankommt. Die Ursache liegt in den Raummoden.

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Um dieses Phänomen zu verstehen, bedarf es eines kurzen Ausflugs in die Theorie der Schallausbreitung in geschlossenen Räumen. Wird ein Raum durch mehr oder weniger schallharte Flächen (Boden, Decke und Wände) begrenzt, dann geben diese als physikalische Randbedingung vor, dass auf deren Oberfläche die Schallschnelle gleich null und der Schalldruck maximal ist. Stellen wir uns dazu zwei schallharte Wände in einem Abstand von 3,4 m vor, dann kann diese Randbedingung nur für bestimmte Frequenzen, die Eigenfrequenzen oder Raummoden, erfüllt werden. Abb.01 zeigt dazu den Schalldruckverlauf zwischen den schallharten Wänden für 50 Hz, 100 Hz und 150 Hz. Für alle dazwischen liegenden Frequenzen wäre unter Idealbedingungen keine Schallausbreitung möglich, da die Randbedingungen nicht erfüllt werden können. So extrem ist es in der Realität jedoch nicht, da die Raumbegrenzungsflächen nur selten ideal schallhart sind und Einrichtungsgegenstände die Verhältnisse zudem verändern.

Raummoden

Was vorab für das Verhalten von Schallwellen in nur einer Dimension beschrieben wurde, gilt für geschlossene Räume in allen drei Dimensionen. Die Randbedingungen müssen für alle Raumbegrenzungsflächen erfüllt werden. Die nachfolgende Formel beschreibt dazu die Berechnung der Frequenzen, bei der in einem Quaderraum der Länge L, der Breite B und der Höhe H (alle Werte in m) die Eigenfrequenzen liegen. Die Schallgeschwindigkeit c beträgt ca. 340 m/s. Die Zahlen n, m und k sind die ganzzahligen Ordnungen der Moden für die Länge, Breite und Höhe des Raumes.

Die tiefste Eigenfrequenz in einem Raum ist daher immer die, deren halbe Wellenlänge der größten Raumabmessung entspricht. Ist die Länge des Raumes die größte Abmessung, dann ist die tiefste Eigenfrequenz die (1,0,0)-Mode. Wäre die Breite die größte Ausdehnung, dann wäre es die (0,1,0)-Mode. Unterhalb der tiefsten Eigenfrequenz ist eine Schallausbreitung nur noch nach dem Prinzip einer Druckkammer möglich. Trägt man die Eigenfrequenzen über der Frequenzachse auf, dann erkennt man, dass die Dichte mit zunehmender Frequenz immer größer wird, bis einzelne Moden nicht mehr separat zu erkennen sind. Ist dieser Zustand erreicht, dann kann das akustische Verhalten statistisch beschrieben werden, und es gelten die Regeln der geometrischen Akustik mit Spiegelquellen und Strahlenverfolgung. Unterhalb des statistischen Frequenzbereiches spricht man vom modalen Bereich, der sich nur mithilfe der Wellenlehre beschreiben lässt. Der Übergang erfolgt näherungsweise bei einer Frequenz, die als »Schroederfrequenz« bezeichnet wird, benannt nach dem berühmten Akustiker Manfred Schroeder (1926 − 2009).

mit der mittleren Nachhallzeit T in s
und dem Raumvolumen V in m3

Die Schallausbreitung in Räumen lässt sich somit in drei Bereiche unterteilen. Den statistischen oberhalb der Schroederfrequenz, den modalen zwischen der tiefsten Eigenfrequenz eines Raumes und der Schroederfrequenz sowie dem hier nicht näher betrachteten Bereich unterhalb der tiefsten Eigenfrequenz, wo der Raum als Druckkammer agiert. Was bedeutet das nun in der Praxis?

1.: In sehr großen Räumen (Konzertsäle, Hörsäle, Sporthallen etc.) liegt die Schroederfrequenz so tief, dass nahezu alle hörbaren Frequenzen in den Bereich der statistisch beschreibbaren Schallausbreitung fallen. Eigenfrequenzen haben hier keinen großen Einfluss.

2.: In kleineren Räumen reicht der modale Frequenzbereich häufig bis 100 Hz und noch weiter, sodass die Tieftonwiedergabe in solchen Räumen stark von den Eigenfrequenzen beeinflusst wird.

3.: Durch eine günstige Wahl der Verhältnisse von Länge, Breite und Höhe eines Raumes lässt sich im modalen Bereich eine gleichmäßigere Verteilung der Eigenfrequenzen und damit auch eine ausgeglichenere Tieftonwiedergabe erreichen. Quadratische Grundflächen oder gar würfelförmige Raumformen sind unbedingt zu vermeiden, da sich dann alle Eigenfrequenzen bei einigen wenigen Frequenzen konzentrieren.

4.: Die Schrägstellung einzelner Wand- oder Deckenflächen verhindert die Ausbildung von Raummoden nicht, sondern verschiebt diese nur etwas.

Einzige Bedienelemente auf die Rückseite einer AVAA C20 sind der Power-Schalter und die Buchse für das Netzkabel. (Bild: Dieter Stork)

Einfache Tools zur Berechnung und Visualisierung der Raummoden finden sich unter www.hunecke.de und www.trikustik.at.

Für den als Beispiel betrachteten Hörraum (Abb.02) mit einem Volumen von 52 m? und einer mittleren Nachhallzeit von 0,2 s liegt die Schroederfrequenz bei ca. 125 Hz. Der Raum hat eine Länge von 6,2 m, eine Breite von 3,4 m und eine Höhe von 2,5 m, womit die tiefste Eigenfrequenz bei 27 Hz liegt. Abb.03 zeigt dazu schematisiert die Verteilung der Moden über der Frequenzachse. Zur raumakustischen Optimierung ist der Raum mit Breitbandabsorbern in den Ecken und mit porösen Absorbern an Teilen der Decke und der Wände ausgestattet. Die Breitbandabsorber erreichen zwar auch bei 100 Hz durchaus noch signifikante Absorptionswerte, sind aber gegen die tiefen Raummoden machtlos.

Eine Frequenzgangmessung am Hörplatz (Abb.05 blaue Kurve) über die hier eingesetzten Neumann-Monitore zeigt das Problem umgehend. Die jeweils tiefste Längs- und Quermode bei 27 Hz und bei 51 Hz ragen deutlich heraus, und dazwischen gibt es tiefes Loch. Eine weitere Problemstelle erkennt man bei 74 Hz, wo direkt zwei Moden liegen, die für eine Spitze im Frequenzgang sorgen. Ein naheliegender Gedanke wäre es jetzt, in den Raumecken passend abgestimmte Resonanzabsorber einzusetzen, die als Plattenschwinger auf einem Luftpolster vor der Wand oder als Helmholtzresonator in den Raumecken aufgebaut werden könnten. Beides basiert darauf, der Wand die schallharte Eigenschaft zu nehmen und so die Raummoden in ihrer Wirkung zu reduzieren. Um eine merkliche Wirkung zu erzielen, müssen die Absorber jedoch relativ groß und voluminös gestaltet werden.

Mehr zum Thema Raummoden findest du hier.

AVAA C20

Der Schweizer Monitorhersteller PSI bietet dazu seit einigen Jahren eine alternative Lösung in Form eines aktiven Absorbers an, der optisch wie ein kleiner Subwoofer aussieht und ähnlich wie die akustischen Helmholtzabsorber in der Raumecke platziert wird. Der aktive Absorber namens AVAA C20 benötigt lediglich einen Stromanschluss und stellt sich automatisch auf die bestehenden Verhältnisse ein. AVAA steht hier für »Acoustic Velocity Active Absorber« und beschreibt auch deren Funktionsweise.

Schraubt man das Frontgitter der AVAA ab, kommt ein gebogenes Lochblech zum Vorschein, dessen Funktion es ist, Schalldruck in der Raumecke vor dem Lochblech in Schnelle hinter dem Lochblech umzuwandeln. Anschaulich beschrieben wird der Vorgang von Jürgen Schröder im Online-Magazin LowBeats, der den Vorgang mit einer großen Wasserwelle umschreibt, die mit hohem Druck auf eine gelochte Wand auftrifft, in dessen Folge dann das Wasser mit großer Schnelle, aber geringem Druck durch die kleinen Öffnungen gepresst wird. Die Welle wird daher von der gelochten Wand merklich weniger stark reflektiert als von einer geschlossenen Wand.

Eine AVAA C20 ohne Frontgitter mit freiem Blick auf das Lochblech (Bild: Dieter Stork)

In der Kammer hinter dem Lochblech befinden sich eine Art Vlies als Strömungswiderstand und ein Tieftöner, der mit der Vorderseite auf ein geschlossenes Volumen arbeitet und mit der Rückseite in das Volumen hinter dem Lochblech. Vor dem Lochblech ist ein Mikrofon angebracht, das dazu genutzt wird, um mithilfe eines analog aufgebauten Regelkreises des Tieftöners den Schalldruck zu minimieren. PSI beschreibt den Effekt der AVAA als »großes saugendes Loch in der Wand«. Ein ähnlicher »Schall aufsaugender« Effekt ist von herkömmlichen Absorbern bekannt, die mehr absorbieren, als es die tatsächliche Fläche erwarten lassen würde. Wieviel das jetzt genau ausmacht, lässt sich von dieser Stelle aus nicht sagen. Ebenso bleibt die Beschreibung der Funktionsweise der AVAA ein wenig spekulativ, da man sich bei PSI verständlicherweise dazu etwas bedeckt hält.

Im Normalfall arbeitet der Regelkreis in der AVAA stabil. In sehr halligen Räumen kann es unter bestimmten Umständen zu Instabilität (Schwingneigung) kommen. Über ein Trimmpoti auf der Rückseite kann man daher die Regelschleife nachstellen. Bei unserem Test war das nicht notwendig, und der Trimmer blieb auf der empfohlenen Maximalstellung. Als weitere Bedienelemente gibt es sonst nur noch eine optionale Fernbedienung, um die AVAAs ein- und auszuschalten. Eine LED auf der Frontseite signalisiert in Grün die Betriebsbereitschaft und in Rot eine mögliche Überlastung.

Grafiken und Messungen

01 Pegelverlauf zwischen zwei schallharten Wänden für die Moden (1,0,0) bei 50 Hz (rot), (2,0,0) bei 100 Hz (blau) und (3,0,0) bei 150 Hz (grün)
02 Hörraum mit Absorbern an den Wänden und an der Decke. Breitbandabsorber (dunkelblau) und poröse Absorber (hellblau).
03 Drei Frequenzbereiche mit verschiedenen Beschreibungen zur Schallausbreitung
04 Tabelle mit Eigenfrequenzen und deren Dichte in Abhängigkeit von der Frequenz für einen Raum mit einer Länge von 6,2 m, einer Breite von 3,4 m und einer Höhe von 2,5 m
05 Frequenzgang der KH310-Monitore an der Hörposition ohne (blau) und mit (rot) AVAA
06 Spektrogramm der KH310-Monitore gemessen an der Hörposition ohne AVAA-Unterstützung
07 Spektrogramm der KH310-Monitore gemessen an der Hörposition mit AVAA-Unterstützung
08 Frequenzgang der Subwoofer an der Hörposition ohne (blau) und mit (rot) AVAA
09 Spektrogramm der Subwoofer gemessen an der Hörposition ohne AVAA-Unterstützung
10 Spektrogramm der Subwoofer gemessen an der Hörposition mit AVAA-Unterstützung

Praxistest

Um die Funktion der AVAA in der Praxis zu testen, wurden vom deutschen Vertrieb Audiowerk zwei AVAAs nach der Studioszene-Messe in Köln zu Verfügung gestellt. Messungen und Hörprobe fanden anschließend in einem ca. 52 m2 großen Hörraum statt, der zwar akustisch behandelt ist, aber trotzdem noch Probleme mit einigen tieffrequenten Raummoden hat. Gemessen und gehört wurde mit einem Pärchen Neumann KH310-Monitoren mit und ohne Unterstützung durch Subwoofer. Die beiden AVAAs wurden in den Ecken des Raumes hinter dem Hörplatz aufgestellt. Eine alternative Aufstellung vorne und somit aus Sicht des Hörers hinter den Monitoren war leider nicht möglich, da es dort wegen der vorhandenen Einbauten keine geeigneten Ecken gab.

Abb.05 zeigt nun die am Hörplatz gemessenen Frequenzgänge der KH310 ohne (blau) und mit (rot) aktiven AVAAs. Die tiefste Längsmode des Raumes bei 27 Hz wird deutlich reduziert, die Überhöhung bei 51 Hz wird ebenfalls in ihrer Auswirkung gemäßigt, und der tiefe Einbruch zwischen diesen beiden Moden wird etwas aufgefüllt. Oberhalb von 70 Hz bleibt der Verlauf weitgehend unverändert. Deutlicher werden die Unterschiede in den Spektrogrammen ohne und mit AVAA in Abb.06 und Abb.07, wo sich eine deutliche Reduzierung des langen Nachschwingens im Raum bei 27 Hz und 51 Hz gut erkennen lässt. Für die zweite Messung wurden die Subwoofer allein ohne Tiefpassfilter gemessen. Abb.08 zeigt dazu wieder die Frequenzgänge am Hörplatz ohne und mit AVAA. Hier fallen die Unterschiede deutlicher aus im Vergleich zu den normalen Monitoren.

Die Dynamik zwischen den Spitzen und Einbrüchen betrug bei den Subwoofern ohne AVAA unschöne 35 dB, die mit AVAA auf 15 dB zurückgingen. Die 27-Hz-Spitze wurde wieder deutlich reduziert, die 51-Hz-Mode etwas weniger, und die Lücke dazwischen wurde gut aufgefüllt. Knapp oberhalb von 70 Hz kommt jedoch eine kleine Resonanz hinzu. In beiden Fällen − für die normalen Monitore und auch für die Subwoofer − kommt es, so kann man sicher sagen, messtechnisch zu einer klaren Verbesserung.

Die noch wichtigere Frage ist jedoch: Wie verändern die AVAAs den Höreindruck? Der erste Eindruck ist eindeutig. Das unschöne Dröhnen im Raum ist deutlich weniger, wenn die AVAAs aktiv sind. Hört man etwas länger und genauer hin, dann fällt auch die ausgeglichenere Wiedergabe im Bass auf, die sich im gesamten Raum und nicht nur am Hörplatz bemerkbar macht.

Platine mit dem Mikrofon für den Regelkreis. (Bild: Anselm Goertz)

Fazit

Der Schweizer Hersteller PSI Audio hat mit den aktiven AVAA Bassabsorbern einen sehr gelungenen Problemlöser für kleine Hör- und Regieräume entwickelt. Lässt sich die Raumakustik bei mittleren und hohen Frequenzen mit im einschlägigen Fachhandel erhältlichen Absorbern und Diffusoren noch gut in den Griff bekommen, dann wird es spätestens bei tiefen Frequenzen und den dort auftretenden separaten Raummoden schwierig. Bassabsorber in Form von Plattenschwingern oder Helmholtzresonatoren sind groß, kompliziert und auch entsprechend teuer. Reine EQ-Lösungen kurieren nur die Symptome, aber nicht die Ursache und sind daher klanglich bestenfalls ein Kompromiss. Die aktiven Absorber von PSI setzen direkt an der Ursache des Problems an und erzeugen durch ihre spezielle Konstruktion eine signifikante Absorption auch bei tiefsten Frequenzen. Mithilfe eines analogen Regelkreises stellen sich die aktiven Absorber automatisch auf die kritischen Frequenzen ein und sind daher in der Handhabung extrem einfach. Für unseren Testraum mit 52 m2 waren zwei AVAAs eine passende Anzahl. Größere und/oder schwierigere Räume benötigen eventuell auch vier oder mehr AVAAs. Bei einem Stückpreis von 2.350 Euro können dann schon merkliche Beträge zusammenkommen. Der Preis relativiert sich jedoch, wenn man die Kosten und den Aufwand für andere Maßnahmen zur Problemlösung vergleicht, falls diese wegen des großen Platzbedarfs oder damit einhergehender Baumaßnahmen überhaupt möglich sind. Kurz gefasst könnte man zu den AVAAs auch sagen: Aufstellen, anschließen, und es funktioniert. Einfacher und auch wirksamer geht es kaum.

Weitere Informationen und Themen zur Raumakustik von den Autoren Peter Maier und Stephan Lembke finden sich hier: www.soundandrecording.de/tutorials/raumakustik-das-studio-der-eierkarton-die-absorber-und-architektur/

 

(Bild: Dieter Stork)

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Messwerte
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Klangqualität
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Einsatzmöglichkeiten
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Verarbeitung und Wertigkeit
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Preis/Leistungs-Verhältnis


Hersteller/Vertrieb: Psi Audio Schweiz / Audiowerk, Hargesheim

Preis: 2.350,− Euro

www.psiaudio.swiss


Profil AVAA

Maße: 424 x 509 x 300 mm (B x H x T)

Gewicht: 15 kg

Produkt: Sound & Recording 12/2019
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