Messung der Nachhallzeit

Zur Messung der Nachhallzeit ist eine Kalibrierung nicht unbedingt erforderlich. Allerdings hilft ein Bezugspegel, Störgeräusche leichter zu identifizieren. Außerdem kann die Messkette in einem Schritt leicht überprüft werden.

Am einfachsten erfolgt dies mit einem Schallkalibrator. Dieser wird über das Messmikrofon gelegt und der Bezugspegel eingegeben.

1.1 Eigenschaften

· Einfache Messung mit einem „Wizard“

· Meßergebnisse können in einem automatischen Bericht gespeichert werden.

· Breitbandige Berechnung der Nachhallzeit

· Berechnung zusätzlich mit 1/1 und 1/3 Oktavauflösung

· Impulsantwort Messung durch MLS und Chirp

· Raumimpulsantworten können als .wav Datei importiert und exportiert werden.

· Graphische Darstellung der Energie-Zerfallskurve (Schroeder Plot) sowie der frequenzabhängigen Nachhallzeiten.

· Durch die freie Konfigurierbarbeit können unter anderem RT60, RT30 sowie „Early Decay“ Zeiten (EDT) ermittelt werden.

· Auswahl des Mittelungsbereichs graphisch direkt an der Meßkurve.

1.2 Meßverfahren

Im Bereich der Nachhallzeit haben sich vier Messverfahren etabliert:

1. Direkt mit Impulsanregung Knall/Explosion

2. Abgeschaltetes Rauschen

3. Korrelationsverfahren mit MLS

4. Korrelationsverfahren mit Chirp (Log-Sweep)

1.2.1 Impulsanregung

Bei diesem Verfahren wird der Raum impulsförmig angeregt. Das Meßsignal am Mikrofon ist direkt die Impulsantwort des Raumes. Im Idealfall muss der Anregungsimpuls einen unendlich hohen Pegel und unendlich kurz sein (Dirac-Impuls). Dies läßt sich natürlich nur näherungsweise erreichen. Typischweise werden hier Funkenstrecken, Pistolen, kleine Sprengladungen oder mit Wasserstoff gefüllte Ballons verwendet. Das Ziel ist es den Raum mit möglichst hoher Energie zum Schwingen zu bringen. Mit Lautsprechern lässt sich dies nicht erreichen, da diese kurze Impulse nur mit geringer Energie abstrahlen können.

Dieses Verfahren ist vom Aufbau sehr einfach und gehört daher zu den ältesten Verfahren. Allerdings ist die Handhabung aufgrund der hohen Schallpegel nicht ganz ungefährlich und es werden hohe Anforderungen an die Pegelfestigkeit der Mikrofone gestellt.

Andererseits ist die Schallquelle hier nahezu punktförmig und strahlt gleichmäßig in alle Richtungen.

Das folgende Beispiel zeigt den zeitlichen Verlauf des Schallpegels nach Abschuß einer 6mm Pistole. Der Ruhepegel im Raum beträgt etwa 50-60dB. Durch den Knall erhält man hier einen maximalen Pegel von etwa 120dB. Die nutzbare Dynamik ist ca. 60dB. Innerhalb von 300ms fällt der Pegel um 60dB. Es handelt sich hierbei um einen sehr kleinen Raum mit hoher Dämpfung. Hier stellt sich nur näherungsweise ein diffuses Schallfeld ein.

1.2.2 Abgeschaltetes Rauschen

Bei diesem Verfahren wird der Raum mit Rauschsignalen von einem Lautsprecher angeregt und abrupt abgeschaltet. Sowohl ein Impuls als auch weißes Rauschen sind breitbandige Signal. Impulse sind jedoch für Lautsprecher ungeeignet, da hier die mechanische Auslenkung der Membran eine Begrenzung darstellt. Mit Rauschen lässt sich mit einem Lautsprecher wesentlich mehr Schallenergie abstrahlen.

Das folgende Bild zeigt den zeitlichen Verlauf des Schallpegels nach Ein und Auschalten des Rauschsignals. Sie können solche Burst-signale mit dem Signalgenerator erzeugen.

Dieses Meßverfahren ist vom Aufwand noch sehr einfach und wird daher in vielen Handgeräten verwendet. Der Nachteil ist, das Störsignale direkt in die Messung eingehen. Daher müssen hier hohe Schallpegel verwendet werden, die wiederum hohe Anforderungen an die Verstärker und Lautsprecher stellen. Mit diesem Verfahren kann auch nicht die Impulsantwort des Raumes gemessen werden, die die Grundlage für weitere Analysen darstellt.

1.2.3 Korrelationsverfahren mit MLS

Bei diesem Verfahren werden rauschähnliche (Pseudo-Noise) Signale verwendet. Diese Signale werden über Lautsprecher abgestrahlt. Durch die speziellen Eigenschaften können Störungen unterdrückt werden. Daher kann mit deutlich geringeren Pegeln gearbeitet werden. Lautsprecher und Verstärker können damit kleiner dimensioniert werden was besonders für mobile Anwendungen interessant ist. Durch mathematische Operationen wird zunächst die Raumimpulsantwort bestimmt. Aus der Raumimpulsantwort wird die Energiezerfallskurve berechnet. Diese Kurve, die auch als Schroeder-Kurve bezeichnet wird, erlaubt die Berechnung der Nachhallzeit.

Impulsantwort

Das folgende Bild zeigt die Schröderkurve mit Auswahlrechteck.

1.2.4 Korrelationsverfahren mit Chirps (Log-Sweep)

Die Messungen mit ML-Sequenzen hat mittlerweile eine große Verbreitung gefunden, da mit dieser Messungen schnell und effizient durchgeführt werden kann. Allerdings hat dieses Verfahren auch einige Nachteile, die verbesserte Verfahren erforderlich machten. Die wichtigsten Nachteile sind:

· Hohe Empfindlichkeit gegenüber Verzerrungen

· Hohe Empfindlichkeit gegenüber Frequenzverschiebungen

· Gleichmäßige Energiedichte im Frequenzbereich.

· Verzerrungen sind nicht sofort hörbar

Bei Messungen im Bereich der Raumakustik ist es wichtig einen ausreichenden Signalpegel über dem Grundrauschen zu erzielen. Daher werden Lautsprecher an Ihrer Leistungsgrenze betrieben, wo bereits deutliche Verzerrungen auftreten. Diese Verzerrungen treten bei MLS-Messungen in Form von Rauschen auf und verringern die nutzbare Dynamik. Daher werden große und leistungsfähige und damit leider auch unhandliche Lautsprecher benötigt.

Chirp Messungen sind wesentlich unempfindlicher gegenüber Verzerrungen. Die Lautsprecher können deshalb entsprechend kleiner ausgelegt werden, was insbesondere für mobile Messungen sehr nützlich ist.

MLS Signale haben aufgrund ihres Entwurfs eine konstante spektrale Leistungsdichte („weiß“). Dies ist für Messungen mit Lautsprechern eher ungünstig, da der überwiegende Signalanteil sich im Hochtonbereich befindet. Beträgt die Ausgangsleistung 100W im Bereich von 20Hz bis 20kHz, so liegen 50W im Bereich zwischen 10kHz und 20kHz, 47W im Bereich zwischen 500Hz und 10kHz und lediglich 3W im Tiefton Bereich zwischen 20Hz und 500Hz. Diese Aufteilung ist daher für typische Lautsprecher ungeeignet, da die höchste Belastbarkeit eher im Tiefton-Bereich liegt. Diese konstante Verteilung führt auch schnell zu Überlastungen der Hochtöner. Man kann zwar durch Filter das spektrale Verhalten bei MLS anpassen, allerdings ist diese Technik recht aufwendig.

Chirp Signal fallen mit 3dB pro Oktave im Spektralbereich ab. Diese Leistungsverteilung entspricht eher Rosa-Rauschen, obwohl beide Signale völlig unterschiedlich klingen. Der Großteil der Signalenergie liegt daher im tieffrequenten Bereich und passt daher ideal zu der typischen Belastbarkeit der Lautsprecher.

Weiterhin kann bei Chirp-Messungen eine obere und unter Grenzfrequenz definiert werden, die gesamte Signalenergie wird daher in diesem Frequenzbereich gebündelt. Daher wird ein Anregungssignal von vorn herein nur in dem Frequenzbereich erzeugt, wo es auch benötigt wird und muß nicht erst aufwendig gefiltert werden.

Aufgrund des rauschartigen Charakters werden bei MLS, Verzerrungen nur schwer gehört. Dieses Warnsignal, dass ein Lautsprecher an seiner Leistungsgrenze betrieben wird, fällt daher unter Umständen zu spät auf. Solche Verzerrungen fallen bei Chirp Signalen wesentlich stärker auf. Es ist allerdings auch mit Chirp Signalen problemlos möglich die Lautsprecher zu überlasten. Bei MLS tritt dies eher durch thermische Überbelastung im Hochtonbereich auf. Bei Chirp-Messungen durch mechanische Überbelastung bei tiefen Frequenzen. Daher ist grundsätzlich der Pegel vorsichtig anzupassen.

Chirp Sequenzen „klingen“ leider bei hohen Pegeln recht unangenehm und fallen deutlich stärker auf als das monotone Rauschen bei MLS.

Das grundsätzliche Meßverfahren ist identisch mit der MLS-Messung. Durch Korrelation wird zunächst die Raumimpulsantwort bestimmt.

1.3 Meßprinzip von WinAudioMLS

WinAudioMLS verwendet zur Messung nicht die direkte Definition der Nachhallzeit.

Stattdessen erfolgt die Messung mit einem hochentwickelteren Verfahren mit Hilfe von MLS bzw. Chirp. Diese Verfahren sind erheblich unempfindlicher gegenüber Störungen. WinAudioMLS bestimmt das Abklingen der Kurve in einem frei definierbaren Bereich z. B. zwischen –10dB und –25dB. Hieraus wird die Zerfallsdauer bis –60dB extrapoliert. Dieser Parameter wird als RT60 bezeichnet. WinAudioMLS kann auch andere Parameter wie RT30 etc. berechnen. Durch die freie Konfigurierbarkeit können auch Zerfallsdauern im frühen Bereich („Early Decay“ EDT) durchgeführt werden. Die Nachhallzeit wird zusätzlich für Oktavbänder bzw. mit 1/3 Oktavauflösung bestimmt und graphisch dargestellt.

Alternativ zu der Messung mit MLS können Sie eine Raumimpulsantwort auch direkt aus einer *.wav Datei importieren. Diese Raumimpulsantwort kann dann für eine Berechnung der Nachhallzeit verwendet werden.

1.4 Aufbau

Der Lautsprecher wird mit dem Verstärker an den Ausgang der Soundkarte angeschlossen. Das Mikrofon wird mit der Soundkarte verbunden.

1.5 Durchführung

WinAudioMLS unterstützt zwei Methoden um die akustischen Parameter eines Raumes zu bestimmen.

Wir empfehlen grundsätzlich die als „easy measurement“ bezeichnete Methode zu verwenden. Hier werden Sie durch die Messung geführt und Fehlerquellen minimiert. Alle Meßergebnisse werden übersichtlich in einen Bericht geschrieben, Durch diese Technik können auch mit geringem Trainingsaufwand reproduzierbare Messungen durchgeführt werden.

Daher empfehlen wir diesen Ansatz zu verwenden. Diese automatische Messung wird in einem eigenen Kapitel beschrieben.

1.6 Automatische Messung

WinAudioMLS kann die Messung der Nachhallzeit weitestgehend automatisch durchführen. Dabei sind insbesondere keine Kenntnisse über FFT-Größe, Fensterfunktion etc. erforderlich.

Für eine Messung sind folgende Schritte notwendig:

1) Sinnvolle Aufstellung der Lautsprecher und Mikrofone

2) Optionale Kalibrierung um absolute Schallpegel zu erfassen

3) Programmgeführte Einstellung von Lautstärke und Eingangsempfindlichkeit

Alle anderen Einstellungen führt das Programm selbständig durch, so dass nur eine geringe Einarbeitungszeit notwendig ist.

Das Programm mißt insbesondere den Ruhepegel und die optimale Lautstärke.

Die Meßergebnisse werden in einem übersichtlichen (HTML) Bericht geschrieben. Dieser enthält neben den reinen Meßergebnissen auch die gemessene Impulsantwort für spätere Analysen.

Für eine zuverlässige Messung sind folgende Punkte zu beachten:

· Der Ruhelärm muss so gering wie möglich sein. Lärmquellen sind insbesondere offene Fenster, Lüftungsanlagen PCs etc. Sofern Sie selbst im Meßraum sind, verhalten Sie sich so ruhig wie möglich.

· Die Lautsprecher müssen ausreichend dimensioniert, sein um den Raum mit genug Schallpegel anzuregen. Für Messungen im unteren Frequenzbereich 20Hz-100Hz sind in der Regel große Subwoofer notwendig.

· Im Idealfall muss die Schallquelle punktförmig sein und in alle Richtungen gleichmäßig strahlen. Sehr gute Ergebnisse erreicht man hier mit Dodekaedern, man kann sich jedoch auch mit mehreren Lautsprechern behelfen. Bei tiefen Frequenzen ist dies jedoch unkritisch, da hier kaum Bündelung auftritt.

· Es sollte nur der diffuse Nachhall gemessen werden daher sollte das Messmikrofon nicht den Direktschall der Lautsprecher erfassen Führen Sie Messungen an unterschiedlichen Raumpositionen durch.

1.6.1 Schritt für Schritt

1.6.1.1 Plazieren Sie den Lautsprecher und das Mikrofon

Für den Meßaufbau ist wichtig, daß das diffuse Schallfeld gemessen wird. Daher sollte die Schallquelle möglichst ungerichtet sein. Das Meßmikrofon sollte nicht den direkten Schall erfassen. Der Schallpegel muss weiterhin deutlich über dem Ruhepegel im Raum sein.

1.6.1.2 Starten Sie die Messung

Starten Sie die Messungen der Nachhallzeit mit „Easy Measurements->Reverberation“ aus der Menuleiste. Das Programm zeigt noch einmal die allgemeinen Hinweise wie die Messung verläuft. Sie können auch die Hilfefunktion nutzten, um detailliertere Informationen zu erhalten.

1.6.1.3 Auswahl des Verzeichnisses

Wählen Sie das Verzeichnis, in dem die Ergebnisse (Bericht, Bilder sowie die Meßdaten) gespeichert werden.

1.6.1.4 Kalibrierung

Am einfachsten erfolgt dies mit einem Schallkalibrator. Dieser wird über das Messmikrofon gelegt und der Bezugspegel eingegeben.

Sie können die Nachhallzeit mit oder ohne Kalibrierung messen.

Verbinden Sie den Kalibrator mit dem Mikrofon und schalten Sie diesen ein.

In diesem Bild ist deutlich die Frequenz des Kalibrators (hier 1000Hz) zu erkennen. Es ist an dieser Stelle wichtig, daß Sie die Verstärkung des Mikrofonsignals korrekt einstellen. Ist die Verstärkung zu hoch, so ist die Meßkette übersteuert und es kommt zu einer Verfälschung der Meßergebnisse. Ist die Verstärkung zu niedrig, so steigt der Rauschpegel. Sinnvoll ist in der Regel ein Pegel von etwa –10dB. Sie können damit dann Schallpegel bis 104dB messen. Beabsichtigen Sie mit höheren Schallpegeln zu messen, so müssen Sie die Verstärkung reduzieren. Viele Kalibratoren bieten auch einen zweiten Bezugspegel bei 114dB an.

Nach der Kalibrierung dürfen Sie die Verstärkung des Mikronfons nicht mehr verändern, da sonst die Kalibrierung nicht mehr stimmt.

Der Pegel wird jetzt in absoluten Werten angezeigt.

Der Pegel des Kalibrators liegt jetzt bei 94dB.

1.6.1.5 Messung des Ruhepegels

Schalten Sie jetzt den Kalibrator und alle störenden Schallquellen ab. WinAudioMLS mißt den Ruhepegel und mittelt diesen über etwa 5s.

1.6.1.6 Einstellung der Lautstärke

Im letzten Schritt, müssen Sie die Lautstärke des Lautsprechers einstellen. Grundsätzlich sollte der Pegel so hoch wie möglich sein, um ausreichend Störabstand zu erreichen. WinAudioMLS benutzt dafür einen Testton bei 1kHz. Stellen Sie die Lautstärke am Verstärker so ein, das die Lautstärke maximal wird. Die Lautstärke wird durch den Lautsprecher selbst begrenzt. Allerdings sollten Sie sich auch nicht selbst während der Messung gefährden und Gehörschutz tragen.

Das Programm überwacht, daß das System nicht übersteuert ist und das der Pegel deutlich über dem Ruhepegel liegt.

Bitte verändern Sie nur die Lautstärke, da ansonsten die Kalibrierung und der Ruhepegel nicht mehr stimmt. Falls Sie die Mikrofonverstärkung ändern müssen, so müssen Sie mit der Messung neu beginnen.

WinAudioMLS zeigt zwei Parameterfenster an, die Ihnen den Störabstand (THD+N) und den Pegel (RMS) anzeigen. Ist der Pegel zu niedrig, ist der Störabstand zu niedrig. Sie müssen die Lautstärke erhöhen. Ist die Lautstärke zu hoch, kommt es zu Verzerrungen im Lautsprecher oder in der Meßkette, dann sollten Sie die Lautstärke verringern.

Weiterhin wird der Signalpegel (RMS) mit dem zuvor gemesseneren Ruhepegel verglichen.

Sobald beide Parameterfenster grün sind könen Sie die eigentliche Messung starten. Diese dauert etwa 10s. Verhalten Sie sich während dieser Zeit möglichst ruhig.

Die Meßergebnisse werden jetzt alle in ein HTML-Datei geschrieben, die Sie mit einem Internetbrowser öffnen oder ausdrucken können. Sobald die Messung abgeschlossen ist, wird der Bericht automatisch angezeigt.

In dem Bericht wird auch die Impulsantwort als .wav Datei gespeichert. Sie haben dann später die Möglichkeit diese Messung erneut oder detaillierter zu analysieren. Aus der Impulsantwort können sie auch später wieder einen Report generieren.

Der Bericht enthält

· Nachhallzeit über der Frequenz in 1/1 und 1/3 Oktavauflösung

· Klarheit und Deutlichkeit

· Nachhallzeit in tabellarischer Form

In dem detaillierten Report finden Sie weitere Meßergebnisse die auch zur Fehleranalyse sehr hilfreich sind.

Die folgenden Bildschirmfotos zeigen einen solchen automatischen Bericht.

1.7 Beispiel eines Meßberichtes für die Nachhallzeit

Fortsetzung des Berichtes

Sie können diesen Report sehr leicht ausdrucken oder Teile davon in Ihre Dokumentation übernehmen.

Am Ende der Zusammenfassung finden Sie einen Link auf den detaillierten Bericht. Dieser längere Bericht enthält deutlich mehr Informationen, die auch für eine erfolgreiche Fehlersuche verwendet werden können. Sie finden im Bericht auch die vollständige Impulsantwort als .wav Datei.

1.7.1 Detaillierter Bericht

Dieser Bericht enthält

· Impulsantwort als .wav Datei zur Archivierung

· Frequenzgang

· Ruhe-Rauschen

· Klirranalyse

· Schröder-Plot

Fortsetzung

1.8 Manuelle Messung

Um die Messung zu vereinfachen, haben wir typische Einstellungen als „Wizards“ definiert. Sie brauchen dadurch nur sehr wenige Einstellungen vorzunehmen. Für erfahrene Anwender steht zusätzliche eine Fülle an Parametern zur Verfügung, mit denen Sie die Einstellungen manuell vornehmen.

1. Schließen Sie den Verstärker und Lautsprecher an sowie das Mikrofon an den Vorverstärker.

2. Starten Sie den Signalgenerator und beginnen Sie die Signalausgabe mit „Play“.
Sie sollten ein Ton der Frequenz 1 kHz hören. Bitte beachten Sie, daß Sie durch zu hohe Pegel leicht die Lautsprecher beschädigen können.

3. Starten Sie den Analyzer und beginnen Sie die Messung mit „Play“.
Sie sollten die Grundfrequenz erkennen. Das Bild sieht etwa wie folgt aus.

Diese Schritte dienen nur zur Überprüfung des Aufbaus. Sie können übersprungen werden.

4. Starten Sie den "Reverberation Wizard". Dadurch werden Standardeinstellung vorgenommen, die für viele Räume geeignet sind. Es wird sowohl der Analyser als auch der Signalgenerator geeignet eingestellt. Aus dem Lautsprecher hören Sie jetzt ein rauschähnliches Signal. Der Analyzer zeigt die Energie-Zerfallskurve (Schroeder-Plot), die breitbandige Nachhallzeit sowie die Nachhallzeit in Oktavauflösung an. Die Messung ist dann korrekt, wenn sich ein möglichst lineares Abklingen der Kurve zeigt.

1.9 Beispielmessung

Das folgende Bild zeigt die Impulsantwort einer kleinen Konzerthalle.

Sie können aus der Impulsantwort auch den Frequenzgang berechnen.

Aus der Impulsantwort wird die Energie-Zerfallskurve (Schroeder-Plot) berechnet. Hier ist sehr deutlich der lineare Bereich der Abklingphase zu erkennen. Die Nachhallzeit beträgt hier 600ms.

Die Nachhallzeit kann auch mit 1/1 bzw. 1/3 Oktavauflösung dargestellt werden.

Für eine weitere Analyse oder Dokumentation können Sie die Meßwerte anzeigen und über die Zwischenablage exportieren (view->Show results).

1.10Konfiguration

Die Nachhallzeitmessung kann auf vielfältige Weise angepaßt werden. Die folgende Dialogbox zeigt die möglichen Einstellungen.

Sie können den Bereich der fallenden Flanke frei wählen, der für die Extrapolation genutzt werden soll. Der Bereich wird durch einen Startpegel und einen Stoppegel definiert. Zusätzlich können Sie die Anzahl der Meßwerte vorgeben, die für die Mittelung (lineare Regression) verwendet werden sollen.

Weiterhin können Sie den Zielpegel festlegen, auf den sich die Nachhallzeit beziehen soll.

In diesem Beispiel wird im Bereich zwischen –8dB und –25dB 10 Werte gemittelt und aus dem Mittelwert wird die Nachhallzeit auf –60dB berechnet.

Bitte beachten Sie, daß der Mittelungsbereich auch graphisch direkt an der Meßkurve festgelegt werden kann.

1.11Graphische Auswahl

Sie können den Mittelungsbereich auch direkt mit der Maus definieren. Grundlage hierfür bildet das Meßrechteck, das Sie durch Doppelklick in der Meßgraphik erzeugen können.

Das folgende Beispiel zeigt eine Messung in dem der Bereich zwischen –10dB und –40dB für die Berechnung der Nachhallzeit verwendet wurde. Die Nachhallzeit wird automatisch für die neue Auswahl aktualisiert. Sie können das Meßrechteck mit der Maus verschieben oder in seiner Größe verändern. Die resultierende Nachhallzeit wird direkt angezeigt.

Aus dem Meßrechteck wird der Start- und Stoppegel definiert. Diese Werte werden auch in die Konfiguration übernommen.

1.12Hinweise

Für die automatische Einstellung des Signalgenerators benötigen Sie die PRO Version des Signalgenerators.

1.12.1 Fehlerquellen:

· Sind Lautsprecher/Verstärker/Mikrofon richtig verkabelt?

· Beachten Sie die Mixereinstellungen für Ihre Soundkarte. Keine Komponente der Signalkette darf übersteuert sein.

· Verändern Sie die Position von Lautsprecher und Mikrofon. Diese Messung der Nachhallzeit funktioniert nur für den diffusen Nachhall. Direkte Reflexionen können das Ergebnis verfälschen.

· Das Mikrofon sollte frei im Raum möglichst weit von stark reflektierenden Flächen plaziert werden.

· omnidirektionaler Lautsprecher

· omnidirektionales Mikrofon

· Die MLS/Chirp und FFT Länge müssen größer als die zu erwartende Impulsantwort sein.