Zehn wichtige Fakten zur Akustik für Mikrofonanwender

Für einen Podcast akustisch optimierter Raum / © Shutterstock

Wenn du das Beste aus deinen Mikrofonen herausholen willst, solltest du ein Grundwissen zum Thema Akustik haben. In diesem Artikel erklären wir dir zehn der wichtigsten Fachbegriffe und Sachverhalte. In der Vorschau siehst du die einzelnen Themen mit kurzer Erklärung. Weiter unten gibt es „Wissen Pur“ zu jedem Thema.

1. Nachhall  – Die Zeit, die der Schall braucht, um zu verklingen, nachdem die Schallquelle verstimmt ist. Ein „trockener Raum“⁽¹⁾  hat eine kurze Nachhallzeit und ein „nasser Raum“⁽¹⁾  hat eine lange Nachhallzeit. Je nach Nutzung eines Raumes gibt es eine optimale Nachhallzeit. In einem Regieraum liegt sie typischerweise unter 0,4 Sekunden. Ein Konzertsaal für symphonische Musik liegt typischerweise bei etwa 2,2 Sekunden.

2. Schalldämmung  – Die Schalldämmung zwischen zwei Räumen. Eine gute Dämmung wird durch die Verwendung schwerer Materialien und die Vermeidung bzw. Minimierung von Bauteilen in den jeweiligen Räumen erreicht, die starre Übergänge ermöglichen.

3. Absorption  – Eine akustische Eigenschaft eines Materials. Absorbierendes Material wandelt Schallenergie um. Die Absorptionsfähigkeit eines bestimmten Materials variiert mit der Frequenz. Manche Materialien haben eine hohe Absorptionsfähigkeit bei hohen Frequenzen, andere bei niedrigen oder mittleren Frequenzen.

4. Reflexionen  – Harte und damit nicht-absorbierende Oberflächen reflektieren den Schall. Reflexionen sind der Grund für den Nachhall. In großen Räumen können die Reflexionen für die Verteilung des Schalls und den Eindruck von Räumlichkeit sorgen. Starke Reflexionen können jedoch zu einer Färbung des Klangs führen.

5. Diffusion/Streuung  – Die Ausbreitung des reflektierten Schalls. Absorption oder Diffusion können Reflexionen reduzieren. Im Gegensatz zur Absorption bleibt bei der Diffusion die Schallenergie jedoch im Raum.

6. Stehende Wellen  – Schallwellen, die den Raumabmessungen entsprechen, können die Verteilung des Schalls beeinflussen. Alle Räume weisen stehende Wellen auf.

7. Raumgröße  – Die Raumgröße beeinflusst den Klang Deiner Aufnahme. Größere Räume haben auch eine längere Nachhallzeit. Zu kleine Räume wie z.B. Sprecherkabinen können zu gedrungen klingen.

8. Hintergrundgeräusche  – Unerwünschte Geräusche von Geräten, Straßenverkehr, etc. In guten Räumen sollte dieser Lärm so gering wie möglich gehalten werden.

9. Mechanische Schwingungen  – Mechanische Schwingungen können sich als Schall im Mikrofon bemerkbar machen. Deshalb ist es empfehlenswert, Mikrofone mechanisch zu entkoppeln.

10. Kopfhörer  – Ein wichtiges Hilfsmittel bei vielen Formen der Audioproduktion. Der Schallpegel sollte nie so hoch sein, dass das Mikrofon ihn auffängt.

(1) ~ sind keine richtigen Fachbegriffe, meinen jedoch: „trocken“ = schallreduziert bis schalltot mit rauhen bis weich-porösen Begrenzungsflächen; es wird alles geschluckt / „nass“ = sehr nachhallstarke Räume mit glatten Begrenzungssflächen; es wird alles reflektiert …

1. Nachhall

Die Art und Weise, wie der Schall in einem Raum abklingt, ist für akustische Aufnahmen sehr wichtig. Der Nachhall kann die Aufnahme auf gute und schlechte Weise beeinflussen. Die Nachhallzeit ist wichtig. Die Nachhallzeit ist die Zeit, die der Schall braucht, um „auszuklingen“, nachdem die Schallquelle zum Stillstand gekommen ist – technisch ausgedrückt: die Zeit, die der Schall braucht, um 60 dB abzufallen.

Das erste Hörbeispiel demonstriert die Nachhallzeit. Die gleiche Waffe wird in fünf verschiedenen Räumen abgefeuert. Jeder Schuss wird einmal wiederholt.

Legende:

1. 0.2 sec = kleiner Regieraum

2. 0.5 sec = Klassenzimmer

3. 2 sec = Mechanikwerkstatt

4. 5 sec = Kirche

5. 10 sec = große Sporthalle

Für Sprach- und Gesangsaufnahmen darf die Nachhallzeit nur von kurzer Dauer sein. Im Regieraum ist die Nachhallzeit daher relativ kurz (relativ „toter“ Raum). Im Aufnahmeraum für Musik entscheidet die Art der Performance über den optimalen Wert.

Hier sind einige Werte für bevorzugte Nachhallzeiten (bei 500 Hz) je nach Anwendung:

Berechnung der Nachhallzeit

Die Nachhallzeit lässt sich anhand der vom amerikanischen Physiker Wallace C. Sabine (1868-1919) entwickelten Formel (sog. Sabinesche Formel)

  T = 0,163 x V/A 

errechnen. Er entdeckte, dass sich die Nachhallzeit proportional zum Volumen  und umgekehrt proportional zur äquivalenten Absorptionsfläche  eines Raumes verhält. Die konstante Zahl 0,163  entstand in vielen Versuchen.

Die Nachhallzeit (T) beschreibt den Zeitraum, in dem der Schalldruckpegel um 60 dB abnimmt. Daher stehen dann in der Sabineschen Formel:

T = Nachhallzeit in Sekunden
V = Raumvolumen (Höhe x Breite x Länge)
A = äquivalente Absorptionsfläche (Summe der Absorptions­koeffi­zienten einer jeden Materialart im Raum)

Für die Absorptionsfläche ist die äquivalente Schallabsorptionsfläche  definiert als …

Fläche S x Absorptionsgrad alpha (α)   ←  die spezifische Absorbtionsfähigkeit der unterschiedlichen Materialien

… so dass man die Sabinesche Nachhallformel auch umstellen könnte in

T = 0,163 x V/S x α

(Quelle:  tipp-zum-bau.de/sabinesche-formel )

Bei der Berechnung von Räumen für den Audiobereich wird dies in allen relevanten Frequenzbändern angewandt. Normalerweise in Oktavbändern von 63 Hz bis 8 kHz oder in 1/3-Oktavbändern von 50 Hz bis 10 kHz.

Wie Du die richtige Nachhallzeit findest

Die Nachhallzeit wird durch das Volumen des Raums und die Gesamtmenge der Schallabsorption bestimmt. (Siehe Abschnitt „Absorption“ weiter unten). Es ist wichtig zu wissen, dass die porösen Arten von schallabsorbierenden Materialien sehr effizient sind – am oberen Ende des Frequenzbereichs. Deshalb ist es wichtig, eine hohe Absorption im Tieftonbereich (Membranen) zu haben, um einen neutralen Nachhall über den gesamten Frequenzbereich zu erhalten.

2. Schalldämmung

Schalldämmung ist die Kraft oder Beschaffenheit, die den Schall daran hindert, sich von einem Raum zum anderen zu bewegen. Die einzige Möglichkeit, eine wirksame Schalldämmung zu erreichen, sind im Prinzip luftdichte Räume mit dicken, massiven Wänden und Böden bzw. Decken. Wenn die Dämmung zu einem benachbarten Raum sehr effizient sein soll, sollte es keine starre Verbindung zwischen den beiden Räumen geben. In der Regel bedeutet das, dass jeder Raum als separate Box gebaut wird, die vom gemeinsamen Fundament isoliert ist (sog. Entkopplung).

Die Wirkung einer Schallwand/Gobo/Baffel im Aufnahmeraum ist von der Größe der Schallwand abhängig. Um zu verhindern, dass sich tiefe Frequenzen um die Schallwand herumbewegen, muss sie extrem groß sein. In der Praxis ist es einfacher, einen geschlossenen Raum zu bauen.

Manchmal kann eine schlechte Schalldämmung dazu führen, dass der Boden, oder Bühnenboden vibriert. Um sicherzustellen, dass der Schall nicht durch das Mikrofongehäuse aufgenommen wird, sollten Mikrofone immer auf den Stativen korrekt in einem Shockmount montiert werden, um Probleme zu vermeiden.

Dieses zweite Hörbeispiel zeigt, wie der Schall aus einem Raum (erster Teil der Aufnahme) in einem benachbarten Raum (zweiter Teil der Aufnahme) zu hören ist. Beachte bitte auch, dass der zweite Teil um 20 dB verstärkt wurde, um die Klangspektren besser vergleichen zu können.

Wie Du die richtige Schalldämmung erreichst

Eine Schalldämmung bei niedrigen Frequenzen kann nur erreicht werden, wenn die Schallquelle in einem separaten Raum untergebracht wird. Wenn eine starke Dämmung erforderlich ist, sollten die Räume getrennte Wände haben: Jeweils mit drei Lagen Gipskarton oder ähnlichem in einer Vorwandkonstruktion ohne direkte Berührung zur Hauptwand wird so eine Wand aufgebaut. Der Boden muss schwimmend verlegt werden. Lies dazu auch unsere Workshopreihe: Wenn es im Keller knallt und scheppert – Schallisolierung im Proberaum – 1 bis 5.

Bei höheren Frequenzen (d. h. über 300 – 400 Hz) kann eine gewisse Trennung durch die Verwendung von Schallschutzwänden erreicht werden. Dies hat allerdings nur eine begrenzte Wirksamkeit. Wenn es jedoch darum geht, Musikinstrumente in einem Aufnahmeraum oder auf der Bühne voneinander zu trennen, verhindert ein Schallschirm, dass der Direktschall die Mikrofone der benachbarten Instrumente erreicht.

3. Absorption

Wir verwenden schallabsorbierende Materialien, wenn wir die Akustik, d.h. die Nachhallzeit, steuern wollen. Wir müssen uns nur darüber im Klaren sein, dass unterschiedliche Materialien auch unterschiedliche Frequenzbereiche absorbieren. Technisch gesehen gibt es Absorptionskoeffizienten zwischen 0,00 (z.B. harte Betonoberfläche – hier wird der gesamte Schall reflektiert) und 1,00 (wie ein offenes Fenster; der Schall verlässt den Raum und kommt nicht zurück …).

Im Allgemeinen absorbieren poröse Absorber (Schaumstoff, Stoff, Mineralwolle, Polyesterfasern usw.) Frequenzen im hohen Bereich und sind dabei mit Absorptionskoeffizienten über 0,7 sehr effizient. Wenn die porösen Absorber jedoch in einem Abstand (25 bis 30 cm) zu einer harten Oberfläche (Wand oder Decke) angebracht werden, bieten sie eine Absorption bis hinunter zu 100 Hz.

Plattenabsorber wirken bei niedrigen Frequenzen. Sie können Teil der Gebäudekonstruktion sein: leichtere Wände, Fenster, schwimmende Böden usw. Sie sind aber nicht sehr effizient: Bei der Resonanz liegt die Absorption im Bereich von 0,2 bis 0,3.

Wenn die Membranen jedoch ein Teil der Konstruktion sind, hast Du vielleicht schon größere Flächen zur Verfügung. Plattenabsorber sind am effizientesten, wenn sie in den Raumecken angebracht werden.

Wie Du die richtige Absorption findest

Zunächst geht es darum, den Frequenzbereich zu bestimmen, in dem du Absorption brauchst, d.h. in dem Teil des Frequenzbereichs, in dem die Nachhallzeit zu lang ist. Dann wählst du die Absorptionsart aus, die Dir am besten gefällt. Denke daran, dass es bei jedem noch so ausgefallenen Absorptionsmaterial auf die physikalischen Eigenschaften ankommt, deshalb solltest Du vor dem Kauf das Technische Datenblatt prüfen.

4. Reflexionen

Wenn das Mikrofon den Direktschall zusammen mit einer einzelnen Reflexion aufnimmt, führt dies zu einer Kammfilterung (Vergl. auch den Beitrag: Grundlagen zum Kammfilter-Effekt, die Spitzen und Auslöschungen im gesamten Frequenzbereich erzeugen. Deshalb müssen Einzelreflexionen immer vermieden werden.

Im Regieraum verursachen vertikale Reflexionen (von der Arbeitsfläche oder der Decke) normalerweise Verfärbungen im Kammfilterstil. Horizontale Reflektionen sind dagegen oft weniger hörbar. Dennoch sollten auch da starke Einzelreflexionen vermieden werden. Im Aufnahmestudio oder im Konzertsaal sind Mehrfachreflexionen Teil des diffusen Schallfeldes, das den Klang so umhüllt, dass das ganze Instrument zu hören ist. Der Nachhall kann als eine unendliche Anzahl von Reflexionen betrachtet werden.

Das nächste Hörbeispiel demonstriert den Einfluss von reflektierenden Oberflächen, die zu Kammfilterung führen. Ein Lautsprecher, der rosa Rauschen abspielt, wird 1 Meter von einem Glasfenster in einem Studio aufgestellt. Ein omnidirektionales Mikrofon  (fängt Schall von allen Seiten und allen Richtungen ein, also Kugelcharakteristik) wird zwischen Lautsprecher und Glas bewegt und nimmt verschiedene Anteile des direkten und reflektierten Schalls auf.

Kammfilter – Rosa Rauschen

Kammfilter – Sprache

Wie Du Einzelreflexionen vermeidest

Einzelne starke Reflektionen können auf verschiedene Arten entfernt werden:

• Leg‘ schallabsorbierendes Material auf die reflektierenden Flächen
• Platzier‘ eine Diffusionsvorrichtung an der Stelle der Reflexion
• Leite die Reflexion so um, dass sie nicht auf das Ohr oder das Mikrofon trifft

Bei der Aufnahme kann es notwendig sein, das Grenzflächenmikrofonprinzip anzuwenden oder das tote Ende des direktionalen Mikrofons auf den reflektierten Schall zu richten.

5. Diffusion / Streuung

Diffusion oder Streuung wird durch den Einsatz von Diffusoren oder einfach durch die verschiedenen Geräte und Möbelstücke im Raum erreicht. Wenn der Schall auf die Oberfläche trifft, wird er in verschiedene Richtungen reflektiert. Die physikalischen Elemente müssen eine Größe haben, die der Wellenlänge des Schalls entspricht, der gestreut werden soll. Deshalb sieht man Bassdiffusoren nur selten. Um Reflexionen zu entfernen, die das Stereobild stören, sollte der Diffusor im Frequenzbereich oberhalb von z.B. 600 bis 800 Hz wirksam sein.

Es ist zu beachten, dass effiziente Diffusoren auch eine gewisse Schallabsorption aufweisen. Der Absorptionskoeffizient darf im aktiven Frequenzbereich der Diffusoren im Bereich von etwa 0,2 liegen.

Wie man Schall zerstreut

1. Viele Geräte und Möbel sorgen normalerweise für eine gute Streuung

2. Bücherregale, die mit Büchern gefüllt sind, sind effizient (und haben auch eine Breitbandabsorption)

3. Diffusoren (Schroeder-Typen) können den ankommenden Schall entweder vertikal, horizontal oder beides streuen

Ein weiteres Hörbeispiel verdeutlicht den Unterschied zwischen einem Schall, der an einer harten, flachen Oberfläche reflektiert wird, und dem Schall, der an einer diffuseren Oberfläche reflektiert wird. Ein Lautsprecher wird vor einem Glasfenster bzw. einem Diffusor aufgestellt. Der Schall wird auf halbem Weg zwischen Lautsprecher und Glas bzw. Diffusor aufgezeichnet. Beachte bitte, dass Diffusoren reflektierend und im Allgemeinen frequenzabhängig sind. Deshalb hat die Summe des direkten Schalls und des diffusen Schalls immer noch eine Färbung.

6. Stehende Wellen

Im Freifeld breitet sich der Schall frei in alle Richtungen aus. In einem Raum wird der Schall, wenn er auf die Begrenzungsflächen trifft, in den Raum zurückgeworfen. Dabei wird der Schall zwischen denselben zwei parallelen Flächen, zwischen Ecken usw. hin und her geworfen. Die physikalische Wellenlänge der tiefen Frequenzen ist mit den Abmessungen des Raums vergleichbar, vor allem bei kleineren Räumen.

Ein interessantes – aber selten sehr angenehmes – Phänomen ist das, was wir stehende Wellen nennen. Wenn eine bestimmte Wellenlänge in die Raumabmessungen passt, führt das zu großen Schwankungen des Schalldrucks, je nachdem, wo Du im Raum zuhörst (oder aufnimmst). An der Grenze des Raums hat der Schalldruck ein Maximum – am stärksten in den Ecken. An anderen Stellen im Raum kann die gleiche Frequenz 20 bis 30 dB leiser erscheinen.

Stell Dir einen Lautsprecher vor, der dicht an einer Wand steht. Diese Schallquelle (Lautsprecher) erzeugt einen Ton. Der Schall strahlt vom Lautsprecher weg, trifft auf die gegenüberliegende Wand und kehrt zur Schallquelle zurück. Wenn er genau zu dem Zeitpunkt ankommt, zu dem der Lautsprecher die nächste Periode dieser Frequenz erzeugt, geraten die alte und die neue Welle in Phase. Beide Wellen wandern zur gegenüberliegenden Wand. Dort werden sie reflektiert, kehren zum Lautsprecher zurück und treffen auf die dritte Periode, usw.

→  Die Wellenlänge der niedrigsten Frequenz einer stehenden Welle zwischen zwei parallelen Wänden ist das Doppelte der Entfernung.

Beispiel: Der Abstand zwischen zwei Wänden beträgt 2,5 Meter. Die Schallgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) in der Luft beträgt 343 m/sec. Der doppelte Abstand (Wellenlänge) beträgt 5 Meter. Die Wellenlänge wird jetzt wie folgt berechnet:

λ = c / f

Formelzeichen mit Einheiten:

λ = die Wellenlänge [m]
c = die Geschwindigkeit des Schalls [m/sec]
f = die Frequenz [Hz]

Die Frequenz wird berechnet:

5 = 343 / f  →  Formel wird nach Frequenz umgestellt:
f = 343 / 5
f = 68,6 Hz

Je kleiner der Raum ist, desto größer ist sein Einfluss auf den aufgenommenen und wiedergegebenen Klang. Kleine Sprecherkabinen sind am schlimmsten. In kleinen Regieräumen oder Projektstudios wird jedoch die Tieffrequenzwiedergabe der Monitorlautsprecher beeinflusst. Stehende Wellen gibt es in allen Räumen, aber sie können so gesteuert werden, dass sie weniger störend sind.

Wie man stehende Wellen vermeidet oder bewältigt

Stehende Wellen lassen sich nicht vollständig vermeiden. Das Phänomen kann jedoch kontrolliert werden:

1. Vermeide parallele Wände

2. In einem kastenförmigen Raum: Die Dimensionen sollten keine ganzzahligen Beziehungen zueinander aufweisen

3. Verwende effiziente Eckabsorber (vor allem Membranabsorber)

4. Halte den Kontrollraum so symmetrisch wie möglich

5. Halte die Lautsprecher aus den Ecken fern

Dieses Hörbeispiel zeigt das Schallfeld in der Mitte eines Raums im Vergleich zum Schallfeld in der Ecke (in Bodennähe) desselben Raums. Bitte beachte, dass die tiefen Frequenzen bei der Aufnahme in der Ecke angehoben werden.

7. Raumgröße

Die Größe eines Raums hat Einfluss auf jede Menge akustische Parameter. Ein Raumvolumen bedeutet in der Regel eine längere Nachhallzeit. Bei der Einrichtung von Regieräumen und Studios solltest Du deshalb darauf achten, dass Du von Anfang an genug Platz hast. Vor allem eine ausreichende Raumhöhe ist wichtig. Denn wenn Du die Schalldämmung planst, die idealen absorbierenden Materialien hinzufügst, die Geräte aufstellst usw., kann es passieren, dass Du am Ende zu wenig Platz für Deine Aktivitäten hast.

Die Abmessungen eines Raumes bestimmen die Frequenz der stehenden Wellen. Der Abstand zu den reflektierenden Flächen hinterlässt immer einen „akustischen Fußabdruck“. Ein kleiner Raum wird eben immer wie ein kleiner Raum klingen, es sei denn, Du verwendest eine nahe Mikrofonierung. Proberäume müssen so groß sein, dass eine vernünftige Verteilung möglich ist.

Wenn es sich um Räume für ein Konzert, für Theateraufführungen usw. handelt, musst Du das Publikum als Teil der Absorption des Raums betrachten. Wenn das Volumen zu klein ist, hängt die Nachhallzeit zu sehr von der Größe des Publikums ab.

Wie Du die richtige Raumgröße findest

1. Es ist besser, mit einem zu großen Raum zu beginnen als mit einem zu kleinen

2. Dabei werden Räume mit niedrigen Decken für die Aufnahme und das Monitoring nicht empfohlen

3. Bedenke die Anzahl der Personen, die sich in dem Raum aufhalten müssen (Studio, Regieraum, Proberaum, Veranstaltungsort für Musik usw.) und stell´ sicher, dass ausreichend Platz ist

8. Hintergrundgeräusche

Die Hintergrundgeräusche im Studio können ein Problem sein, da sie die Aufnahmen matschig machen können. Und wenn das Signal komprimiert wird, kann es noch schlimmer werden. Der Lärm kann von Lüftern und Computerfestplatten, von der Klimaanlage, von benachbarten Räumen oder vom Verkehr kommen. Bei einer Sendung aus Nachrichtenstudios kommt der Lärm oft aus der Redaktion.

Bei der Gestaltung der verschiedenen Raumtypen gibt es bestimmte Vorgehensweisen in Bezug auf den Lärm von Anlagen: Noise Rating-15 / NC-15 (Schalldruckpegel ca. SPL20 dB(A)) oder NR20 / NC-20 (Schalldruckpegel ca. 25 dB(A)), je nachdem, wofür der Raum genutzt wird.

Wie man Hintergrundgeräusche los wird

1. Entferne alle Lärmquellen (so einfach ist das)

2. Verwende eine enge(re) Mikrofonierung

3. Nutz‘ den Nahbesprechungseffekt von Richtmikrofonen, um die tiefen Frequenzen von weit entfernten Schallquellen zu reduzieren.

9. Mechanische Schwingungen

Mechanische Schwingungen in Gebäudeteilen führen zu hörbarem Schall. Wenn ein Mikrofonständer auf einen vibrierenden Boden gestellt wird, kann er Geräusche im Mikrofon erzeugen. Auch das Klappern loser mechanischer Teile in einem Raum kann zu Problemen führen.

as letzte Hörbeispiel zeigt, welche Auswirkungen die Verwendung eines geeigneten Shockmounts für Mikrofone hat. Ein 4017B Shotgun-Mikrofon  (Alternativ: 4097 Micro Shotgun Mikrofon  ) ist dreimal mit 3 unterschiedlichen Halterungen an einem Mikrofonständer befestigt. Der Tontechniker tritt gegen die Beine des Stativs. Das „Treten“ des Stativs wird ohne und mit eingeschaltetem 4017B Low Cut aufgenommen.

Die folgenden Halterungen werden verwendet:

1. Standard-Mikrofonklammer UA0639. Es gibt keine Dämpfung und der Schall der Stöße gelangt über den Mikrofonständer in das Mikrofon.

2. Shockmount UA0897 . Jetzt wird der Schall vorwiegend über die Luft übertragen.

3. Zweifach-Shockmount SM1500 . Es werden weniger mechanische Schwingungen aufgenommen und fast nur noch die Trittgeräusche über die Luft.

Wie man die mechanischen Schwingungen los wird

1. Verwende eine elastische Mikrofonaufhängung, damit keine Vibrationen auf das Mikrofon übertragen werden

2. Die Resonanz des elastischen Systems muss unterhalb der niedrigsten aufgenommenen Frequenz liegen

3. Schwere Massen und weiche Aufhängungen weisen niedrige Resonanzfrequenzen auf

10. Kopfhörer

Kopfhörer sind in vielerlei Hinsicht praktisch. Sie können Dich von den Schallquellen um Dich herum trennen. Achte jedoch darauf, dass der vom Kopfhörer wiedergegebene Pegel nicht zu hoch ist (ein kalibrierter Kopfhörerpegel sollte bevorzugt werden). Achte auch darauf, dass der Kopfhörer nicht auf das Mikrofon übertragen wird. Wenn der Kopfhörer für das persönliche Monitoring oder Foldback verwendet wird, muss das Kopfhörersignal in Phase mit dem Mikrofonsignal sein.