Nachhall

Der Ausdruck Nachhall (engl.: Reverberation) oder umgangssprachlich kurz Hall (engl.: Reverb) bezeichnet, anders als das Echo, kontinuierliche Reflexionen von Schallwellen (Schallreflexionen) in einem geschlossenen Raum oder in einem natürlich begrenzten Bereich.

Allgemein

Schall, der von einer Quelle ausgesendet wird, wird von verschiedenen Flächen, zeitlich und pegelmäßig unterschiedlich reflektiert. So werfen glatte, harte Flächen den Schall zurück wie ein Spiegel das Licht (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel). Bei rauen Strukturen nimmt der Schall ständig andere Wege. Je rauer ein Material ist, desto diffuser wirft es diesen Schall wieder zurück. Dabei wirkt noch die Beschaffenheit des Materials mit. Hartes Material absorbiert kaum die Schallwellen, weiches dagegen stärker. Das ist alles recht unterschiedlich und frequenzabhängig.

Nachhall ist in bestimmten großen Räumen, wie Kirchen, Schwimmbecken oder großen Höhlen usw. zu vernehmen und erschwert mitunter die Verständlichkeit von Sprache. Er ist nach dem plötzlichen Verstummen der Schallquelle wahrnehmbar und entsteht als Folge wiederholter Schallreflexionen, die mit der Zeit schwächer werden. Die Zeit in welcher der Schalldruckpegel nach dem Verstummen der Schallquelle um 60 dB abnimmt heißt Nachhallzeit. Das ist der tausendste Teil des Anfangswerts des Schalldrucks.

Die Nachhallzeit RT₆₀ und das Volumen V des Raums haben großen Einfluss auf den Hallradius r_H (Bestimmungsgleichung):

r_H = 0,057 \cdot \sqrt \frac{V}{RT_{60}} Hallradius r_H in m
Volumen V in m³
Nachhallzeit RT₆₀ in s

Nachhallzeit

Die definierte Nachhallzeit RT₆₀ (RT = Reverb Time) ist dasjenige Zeitintervall, in dem der Anfangschalldruck in einem Raum auf seinen tausendsten Teil abgesunken ist. Dieses entspricht einer Pegelabnahme des Schalldrucks von (-) 60dB.

Die Entdeckung der fundamentalen Beziehung zwischen dem Volumen eines Raumes, den Absorptionseigenschaften der umschließenden Oberflächen und der Nachhallzeit geht auf die experimentellen Forschungsarbeiten des US-amerikanischen Physikers Wallace Clement Sabine (1868-1919) zurück. Sabine fand 1898 heraus, dass sich die Nachhallzeit T proportional zum Raumvolumen V und umgekehrt proportional zum Gesamtabsorptionsgrad ${\alpha}$ verhält (k ist die Proportionalitätskonstante):

RT = \frac{k \cdot V}{\alpha} = 0,172 \frac{V}{\alpha}

Je größer der Raum und je schallhärter (reflektierend) die Oberflächenmaterialien, desto größer die Nachhallzeit. In den 1920er Jahren wurde diese Gleichung, die erstmals die akustische Planung von Gebäuden in ihrer Entwurfsphase ermöglichte, präzisiert zu:

RT = 0,163 \frac{V}{4 m \cdot V - S \ln(1 - \alpha)}

m

steht hierbei für die Dämpfung des Ausbreitungsmediums, z.B. Luft.

Schallabklinggeschwindigkeit

In kleineren gedämpften Räumen kann man eigentlich nicht mehr von hörbarem Nachhall sprechen. Daher wird besonders bei kurzen Nachhallzeiten unter einer Sekunde häufig die "sound decay rate" in Dezibel pro Sekunde (dB/s) angegeben, was aussagt, um welchen Pegel das Schallsignal im Raum nach Abschalten der Schallquelle pro Sekunde sinkt. Weniger bekannt ist der hierfür richtige Ausdruck Schallabklinggeschwindigkeit. Der verwendete Begriff Schallabklingzeit kann nicht korrekt sein, denn das ist ja die Nachhallzeit RT in Sekunden.

Optimale Nachhallzeit

Die optimale Nachhallzeit richtet sich danach, für welchen Zweck ein Raum aus raumakustischer Sicht verwendet wird.

Bei Aufnahme- und Regieräumen soll die Nachhallzeit möglichst gering sein, um die Aufnahme bzw. die Lautsprecherwiedergabe möglichst wenig durch Raumreflexionen zu beeinträchtigen. (Nachhallzeit < 0,4 s).
Bei Büroräumen in modernen Bürogebäuden mit Kombibüros und so genanntem Open Space wird eine Nachhallzeit von ca. 0,35 s empfohlen. Die Vorgaben der DIN 18041 mit 0,55 s betrifft so genannte "hallige Zimmer" und ist für moderne zeitgemäße Büros nicht genügend.
Bei Räumen, die für Sprachdarbietung konzipiert sind (Klassenräume, Vortragssäle), darf einerseits die Sprachverständlichkeit nicht durch zu hohe Nachhallzeit beeinträchtigt werden, andererseits soll durch Nachhall aber die Lautstärke des Sprechers angehoben werden. (Nachhallzeiten zwischen 0,6 und 0,8 s). Bei Personen mit anderer Muttersprache oder mit eingeschränktem Hörvermögen sollte dieser Wert nochmals um etwa 20% verringert werden.
Bei Räumen für Musikdarbietung ist die optimale Nachhallzeit die Nachhallzeit, die von den meisten Zuhörern und auch von den Mitwirkenden als besonders geeignet bezeichnet wird. Sie hängt vor allem von der Art der Schalldarbietung sowie vom Raumvolumen ab. Die optimale Nachhallzeit für die Aufführung von sinfonischer Musik hängt von der Art der Komposition, der Orchesterbesetzung und dem Zeitgeschmack ab. Darum sind die "Richtwerte" für die optimale Nachhallzeit stark streuend und vorsichtig zu beurteilen. (Nachhallzeiten zwischen 1,5 und 3 s).

Künstlicher Nachhall

Effektgeräte, die einen "künstlichen" Nachhall erzeugen haben zwei Aufgaben:

Erzeugung eines quasi natürlich erscheinenden Raumeffekts
Erzeugung eines künstlichen Nachhalleffekts, den es in der Natur so nicht gibt.

Bei der Erzeugung eines künstlichen Raumeffekts kommt es darauf an, ein Signal so zu verändern, dass der Zuhörer glaubt, das Signal wäre in einer bestimmten Räumlichkeit (ambience) entstanden und nicht im trockenen Studio. Hat man mehrere Signale, so bearbeitet man häufig alle mit dem gleichen Effekt, so dass der Eindruck entsteht, die Aufnahme wäre in dem ausgewählten Raum entstanden. Aber auch mehrere Hallgeräte sind dabei üblich, um mehrere Hallebenen übereinander zu legen.

Einflussfaktoren

Eigenschaften, die den Raumeindruck des Nachhalls beeinflussen, sind:

Anteil des Direktschalls am Schalldruckpegel,
Anteil der frühen Reflexionen am Schalldruckpegel, sowie deren räumliche Verteilung und zeitlicher Verlauf,
Anteil des "Nachhallausklangs" am Schalldruckpegel, sowie dessen räumliche Verteilung und zeitlicher Verlauf.

Bei Hallgeräten spielt das "Pre-Delay", also die Vorverzögerung eine besondere Rolle. Das ist der zeitliche Abstand zwischen Direktschall und der ersten Reflexion, was mit Anfangszeitlücke ITDG = Initial Time Delay Gap bezeichnet wird. Hierdurch kann die Position einer Schallquelle im Raum nachgebildet werden.

Will man aus "künstlerischen" geschmacklichen Gründen einem Signal eine besondere Note verleihen, dann wählt man den künstlichen Nachhalleffekt. Um das Signal klanglich besonders hervorzuheben, wird dem Signal ein Effekt beigemischt, der dem natürlichen Nachhall nicht entspricht, etwa bei einer Gesangsstimme.

Typen von Nachhallgeräten

Früher wurden Nachhall-Effekte mit Metall-Federn (Hammond-Spiralen) erzeugt, die zusätzliche verzögerte Schwingungen hinzufügten. Später kamen Hallplatten aus Stahl (EMT-Nachhallplatte 1 m x 2 m) und Goldfolienhall zum Einsatz.

Heute werden Nachhalleffekte durch digitale Effekt-Prozessoren hergestellt. Komplizierte Algorithmen erzeugen diesen akustischen Effekt. Dabei lassen sich die verschiedenen Attribute wie Nachhallzeit, PreDelay, Frequenzgang der diffusen Hallfahne, Diffusion, Raumgeometrie usw. in Echtzeit verändern. Die Technik ist heute so weit fortgeschritten, dass es möglich ist, bestimmte in der Realität vorhandene Räume im Nachhallverhalten recht gut nachzubilden.

Akustik Raumimpulsantwort.jpg Noch besser gelingt dieses durch eine recht neue Art der Hallerzeugung. Dabei wird die Raumimpulsantwort abgespeichert, sozusagen ein "Fingerabdruck" der akustischen Eigenschaften eines realen Raumes. Mit diesem Fingerabdruck kann man nun beliebige akustische Signale versehen. Diese Form der Hallerzeugung nennt man auch "Faltungshall", da bei der Signalerzeugung die mathematische Operation der Faltung verwendet wird.
Diese Technik ist allein nicht auf das Simulieren von Räumen beschränkt, vielmehr kann jedes akustische System, also auch Geräte, wie Mikrofone simuliert werden.
Grob amplitudenmäßig simulierte Impulsantworten im WAV-Format sind frei und im Internet erhältlich, z.B. hier: ^*

Siehe auch

Nachhallzeit > Hallradius

Weblinks

Schall

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