David Kowalewski

Räumliche Lokalisation von Hallsignalen.Eine Untersuchung zur authentischenKlangsimulation

Bachelorarbeit

Technik

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David Kowalewski

Räumliche Lokalisation von Hallsignalen. Eine Untersu-chung zur authentischen Klangsimulation

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Honoursarbeit _________________________________

Räumliche Lokalisation von Hallsignalen –

Eine Untersuchung zur authentischen Klangsimulation der

Veränderung des Abstrahlverhaltens einer Schallquelle im Raum,

durch die Kombination gerichteter Impulsantworten

Studiengang: Bachelor of Arts (Hons.) Audio Production

SAE Institute Köln, 2013 - 2016

Student: David Kowalewski

Danksagungen

Hiermit möchte ich mich bei allen Studenten, Betreuern und Dozenten der SAE Köln,

sowie den externen Helfern für die Unterstützung in dieser Arbeit bedanken.

Weiter bedanke ich mich bei den Interviewpartnern für die Beantwortung der Fragen,

und speziell bei dem Support-Team des Herstellers AudioEase, für die Leihgabe des

Plugins Altiverb 7.

Ein besonderer Dank gilt meinem Betreuer, der mir bei Fragen und Problemen mit Rat

und Tat zur Seite stand.

Außerdem nutze ich die Gelegenheit mich bei meiner Freundin Romina, für ihre Hilfe,

Motivation und Geduld, zu bedanken. ;-)

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung .................................................................................................................... 1

1.1 Einführung .................................................................................................................... 1

1.2 Zielsetzung und These .................................................................................................. 1

1.3 Zielgruppe und Relevanz .............................................................................................. 3

2. Grundlagen ................................................................................................................. 4

2.1 Akustik .......................................................................................................................... 4

2.1.1 Schallausbreitung .............................................................................................................. 4

2.1.2 Aufbau des Schallfeldes ..................................................................................................... 7

2.2 Einsatz von Hallgeräten ................................................................................................ 9

2.3 Faltungshall ................................................................................................................ 10

2.3.1 Entwicklung und aktueller Wissensstand ........................................................................ 10

2.3.2 Funktionsprinzip .............................................................................................................. 11

2.3.3 Einsatzbereiche ............................................................................................................... 13

2.3.4 Vor- und Nachteile .......................................................................................................... 13

2.4 Erstellung von Impulsantworten ................................................................................ 14

2.4.1 Impulse ............................................................................................................................ 15

2.4.2 Erforderliches Equipment ................................................................................................ 16

2.4.3 Vorgang ........................................................................................................................... 16

Kapitel 3 – Methodik ..................................................................................................... 18

3.1 Vorgehensweise ......................................................................................................... 18

3.2 Versuche ..................................................................................................................... 19

3.2.1 Erstellung der Aufnahmen ............................................................................................... 20

3.2.2 Analyse der Aufnahmen .................................................................................................. 21

3.2.3 Klanganpassung und Simulationen ................................................................................. 21

3.2.4 Hörbeispiele ..................................................................................................................... 22

3.3 Experten-Interviews ................................................................................................... 22

3.4 Umfrage ...................................................................................................................... 23

3.4.1 Durchführungsort ............................................................................................................ 23

3.4.2 Population und Teilerhebung .......................................................................................... 23

3.4.3 Repräsentativität ............................................................................................................. 26

3.4.4 Aufbau ............................................................................................................................. 27

3.4.5 Analyse und Auswertung ................................................................................................. 30

Kapitel 4 – Durchführung .............................................................................................. 32

4.1 Experten-Interviews ................................................................................................... 32

4.2 Hauptversuch ............................................................................................................. 32

4.2.1 Planung und Vorbereitung .............................................................................................. 33

4.2.2 Equipment und Zubehör .................................................................................................. 34

4.2.3 Aufbau ............................................................................................................................. 34

4.2.4 Durchführung .................................................................................................................. 36

4.2.5 Nachbearbeitung ............................................................................................................. 37

4.2.6 Analyse der Aufnahmen .................................................................................................. 39

4.2.7 Klanganpassung .............................................................................................................. 39

4.2.8 Simulationen ................................................................................................................... 41

4.3 Umfrage ...................................................................................................................... 44

4.3.1 Erstellung der Hörbeispiele ............................................................................................. 44

4.3.2 Testumfrage (Pretest) ..................................................................................................... 44

4.3.3 Optimierung des Fragebogens ........................................................................................ 45

4.3.4 Durchführung und Dokumentation ................................................................................. 45

4.3.5 Auffälligkeiten und Fehler ............................................................................................... 48

4.3.6 Erfassung der Datensätze ............................................................................................... 48

Kapitel 5 – Ergebnisse ................................................................................................... 50

5.1 Darstellung der Ergebnisse aus dem Hauptversuch .................................................. 50

5.1.1 Analyse und Auswertung der Aufnahmen ....................................................................... 50

5.1.2 Ergebnisse der Klanganpassung ...................................................................................... 57

5.1.3 Ergebnisse der Simulationen ........................................................................................... 58

5.2 Analyse, Auswertung und Interpretation der Umfrage ............................................. 60

5.2.1 Einteilung der Gruppen ................................................................................................... 60

5.2.2 Sozialdemographische Merkmale und Musikkonsum ..................................................... 61

5.2.3 Hörbeispiele – Vergleiche ................................................................................................ 61

5.2.4 Hörbeispiele – Simulationen ............................................................................................ 63

5.3 Gesamtergebnis ......................................................................................................... 71

5.4 Handlungsempfehlung ............................................................................................... 74

Kapitel 6 – Zusammenfassung ....................................................................................... 76

6.1 Fazit ............................................................................................................................ 76

6.2 Limitationen ............................................................................................................... 77

6.3 Weiterer Forschungsbedarf ....................................................................................... 77

6.4 Zukunftsaussichten für das Resultat der Arbeit ......................................................... 79

Quellenverzeichnis ........................................................................................................ 81

Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. 87

Anhang ............................................................................................................................ I

Anhang 1: Inhalte "Externe Daten-Sammlung" ................................................................. II

Anhang 2: Entwürfe der Plugin-Oberflächen .................................................................... IV

Anhang 3: Experten-Interviews ......................................................................................... VI

Anhang 4: Studenten am SAE-Standort Köln ................................................................... VII

Anhang 5: Vorversuche ................................................................................................... VIII

Anhang 6: Umfrage-Durchführung ................................................................................. LIII

Anhang 7: Umfrage-Auswertung .................................................................................. LXIV

Einleitung

1

1. Einleitung

1.1 Einführung

Die Verwendung von Faltungshall wird in der Musikbranche zunehmend populärer. Leis-

tungsstarke Computer ermöglichen es diesen nicht nur in professionellen Studios, son-

dern selbst in Homerecording-Studios einzusetzen. Die intensive Berechnung, welche bei

der Nutzung entsteht, stellt heutzutage kein Hindernis mehr dar, den Faltungshall in den

Produktionsprozess einzubinden. Anwender können eigene Impulsantworten erstellen

und mit entsprechender Software verwenden. Der Klang eines selbst aufgenommenen

Raumes kann auf diese Weise authentisch nachgebildet werden. Neben einer umfangrei-

cheren Ausstattung ermöglichen Programme von Softwareherstellern mittlerweile sogar

die Einbindung mehrerer Impulsantworten in einer Plugin-Instanz. Das führt zu völlig

neuen Optionen für den Einsatz von Faltungshall.

Im Laufe dieser Arbeit wird auf Grundlagen der Schallausbreitung, des Schallfeldes, von

Hall und Faltungshall, sowie der Erstellung von Impulsantworten eingegangen. Im An-

schluss wird die Methodik für den Verlauf der Arbeit erläutert und begründet, bevor die

Durchführung der Erhebungsmethoden dokumentiert wird. Danach folgt die Auswertung

der erhobenen Daten, welche in den Ergebnissen beschrieben wird. Dabei werden die

Erkenntnisse in Hinblick auf die These interpretiert. Abschließend erfolgt eine Zusammen-

fassung der Arbeit. Für die Arbeit ergänzendes Material befindet sich im Anhang oder

können separat angefordert werden.1

1.2 Zielsetzung und These

In dieser Studie soll untersucht werden, ob jede Abstrahlrichtung einer Schallquelle, be-

zogen auf eine Drehung von 360° um die eigene Achse, durch eine Mischung selbsterstell-

ter gerichteter Stereo-Impulsantworten simuliert werden kann. Durch eine Kombination 1 Siehe dazu Anhang 1: Inhalte "Externe Daten-Sammlung", S. II f.

Einleitung

2

der Impulsantworten sollen Zwischenpositionen einer Schallquelle in 22,5°-Abständen

nachgeahmt werden, welche so nicht aufgezeichnet wurden, aber den Klang eines realen

Abstrahlverhaltens wiedergeben. Der Hörer soll den Eindruck haben, dass die Schallquelle

tatsächlich in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist und diese lokalisieren können.

Dabei kann die Position der Quelle jedoch nicht auf der horizontalen und vertikalen Ebene

verändert werden.

Als Voraussetzung werden gerichtete Impulsantworten benötigt, die bei gleichen Gege-

benheiten im selben Raum, lediglich mit einer anderen Abstrahlrichtung eines gerichteten

Lautsprechers, beispielsweise in 45°- oder 90°-Schritten, aufgenommen wurden. Danach

wären diese in parallel geschaltete Faltungshall-Plugins zu laden, um eine Mischung vor-

zunehmen. Zudem müssten weitere Parameter, wie Pegelverhältnisse, Panorama- oder

Equalizereinstellungen, angepasst werden.

So ergibt sich folgende These:

Gerichtete Raumimpulsantworten, die jeweils mit 45° oder 90° Winkelversatz un-

terschiedliche Abstrahlrichtungen einer Schallquelle aufweisen, ermöglichen durch

eine Mischung dieser auch authentische Zwischenpositionen zu simulieren. Auf

diese Weise kann das Abstrahlverhalten für eine 360°-Rotation durch acht bzw.

vier Stereo-Impulsantworten erzeugt werden.

Dabei sind zwei Ziele zu untersuchen. Einerseits ob authentische Klanganpassungen er-

reicht werden und andererseits, ob das Abstrahlverhalten erkannt und für eine 360°-

Rotation durch Kombinationen nachgeahmt werden kann. Um die These zu untersuchen

sollen die Ergebnisse der Versuche in einer Umfrage bewertet werden. Die Rückschlüsse

aus den Erkenntnissen können aufzeigen wo Probleme festgestellt oder Ziele erreicht

wurden. Im Falle der Durchführbarkeit könnte die Studie als Grundlage für die Entwick-

lung eines Plugins betrachtet werden.2

2 Entwürfe möglicher Plugins befinden sich im Anhang 2: Entwürfe der Plugin-Oberflächen, S. IV f.

Einleitung

3

1.3 Zielgruppe und Relevanz

Als Zielgruppe der Arbeit werden alle Anwender von Faltungshall-Plugins betrachtet. Da-

bei handelt sich im weitesten Sinn um Tontechniker und Musikbearbeiter, die in der Au-

diobranche und Filmpostproduktion tätig sind. Die Erkenntnisse aus dieser Studie können

den Lesern, die sich für Faltungshall interessieren und damit experimentieren wollen,

eine Hilfestellung bieten. Sie erhalten einen Einblick in die Möglichkeiten die der Fal-

tungshall bietet.

Die Ergebnisse der Honoursarbeit könnten auch für die Industrie von Nutzen sein. Her-

steller von Convolution-Reverbs könnten Plugins entwickeln, um ihren Kunden neue Op-

tionen zu bieten. Das könnte zu einer Steigerung des kreativen Spielraums und der Quali-

tät bei Musikproduktionen gegenüber der Anwendung klassischer Hallgeräte führen. Die

Untersuchung in dieser Arbeit kann eine Hilfestellung bei weiterer Forschung leisten und

bietet Denkanstöße zu einem Feature, welches zurzeit nicht auf dem Markt erhältlich ist.

Grundlagen

4

2. Grundlagen

2.1 Akustik

2.1.1 Schallausbreitung

Die Schallausbreitung in der Luft erfolgt mit einer Geschwindigkeit von etwa 344m/s bei

20° Celsius. Um einen Meter zurückzulegen braucht der Schall also knapp 3ms. Dabei ha-

ben verschiedene Faktoren Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit, wobei der wichtigste

die Temperatur ist. Pro Grad Celsius ändert sich die Geschwindigkeit um 0,6m/s. Je wär-

mer es wird, desto schneller breitet sich der Schall aus.3 Diese Ausbreitung erfolgt für alle

Frequenzen gleich schnell und wellenförmig, über Druckschwankungen die dem herr-

schenden Luftdruck überlagert werden.4,5

Es ist zu beachten, dass eine Schallausbreitung praktisch nie ungestört erfolgt. Sie wird

durch jedwede Art von Hindernissen manipuliert und verändert dadurch ihren Klangcha-

rakter. Ein komplett freies Schallfeld indem sich dem sich die Schallwelle in alle Richtun-

gen ungehindert ausbreiten kann, besteht nur theoretisch.6 Die Realität besteht eher da-

rin, dass der Schall in seiner Ausbreitung durch Begrenzungsflächen und anderen Hinder-

nissen gestört wird. Je nach Form, Material und Beschaffenheit der Hindernisse wird der

Schall unterschiedlich reflektiert, gebeugt oder absorbiert. Durch die verschiedenen Wir-

kungen dieser Störungen erhalten wir Informationen, die uns einen bestimmten Raum-

eindruck empfinden lassen.7

Damit eine Schallquelle reflektiert wird, muss das Hindernis gleich oder größer der Wel-

lenlänge einer Frequenz sein. Dabei gelten die Reflexionsgesetze der Optik. Eine Schall-

welle kann wie ein Lichtsignal durch einen Spiegel reflektiert werden. Es gilt: Einfallswin-

3 Vgl. Friesecke, Andreas: Studio Akustik, 2015, S. 11 ff. 4 Vgl. Müller, Gerhard et al.: Taschenbuch der technischen Akustik, 2004, S. 4 ff. 5 Vgl. Roederer, Juan G.: Physikalische und psychoakustische Grundlagen der Musik, 1995, S. 87 ff. 6 Vgl. Dickreiter, Michael et al.: Handbuch der Tonstudiotechnik, 2014, S. 9 7 Vgl. Meyer, Jürgen: Akustik und musikalische Aufführungspraxis, 2015, S. 143 ff.

Grundlagen

5

kel gleich Ausfallswinkel.8,9 Durch Reflektionen zwischen parallelen Wänden können Flat-

terechos und stehende Wellen erzeugt werden, welche in der Regel unerwünscht sind.

Außerdem kann es zu einem störenden Kammfilter kommen. Dieser kann entstehen,

wenn an einer Stelle im Raum zwei annähernd gleiche Signale überlagert werden und

eine zeitliche Verschiebung vorliegt. Es kommt zu gleich- und gegenphasigen Überlage-

rungen, welche zu Anhebungen und Auslöschungen von Frequenzen führen. Dabei ent-

spricht die tiefste Auslöschungsfrequenz der Wegdifferenz einer halben Wellenlänge. Die

Vielfachen dieser ersten Auslöschung ergeben im Wechsel Anhebungen und Auslöschun-

gen. Dadurch wird der Klang des Signals verzerrt wiedergegeben. Der Name erschließt

sich aus dem daraus folgenden Frequenzgang, welcher einem Kamm ähnelt.10,11 Trifft der

Schall auf gekrümmte Flächen, so kann eine Schallbündelung oder Schallstreuung entste-

hen. Bei unregelmäßig geformten Wänden kann es zur Diffusion kommen.12

Ist das Hindernis kleiner der Wellenlänge der Frequenz, so kommt es zu einer Schallbeu-

gung. In diesem Fall wird das Hindernis umgangen, als sei es nicht vorhanden. In der Regel

trifft das auf tiefe Frequenzen eher zu, weil diese eine größere Wellenlänge haben. Bei

hohen Frequenzen hingegen entstehen hinter den Gegenständen oft Schallschatten, da

diese größtenteils reflektiert werden. Somit ist der Klang dahinter oft höhenarm.13

Bei der Schallabsorption wird dem Schall Energie entzogen. Das kann auf zwei Arten er-

folgen. Entweder durch Gegenschall, welcher die Schallwelle teilweise oder komplett aus-

löschen kann, oder durch Schallbrechung. Dabei wird die Energie zum Teil in andere Me-

dien geleitet und in Wärme umgewandelt.14

8 Vgl. Roederer, Juan G.: Physikalische und psychoakustische Grundlagen der Musik, 1995, S. 113

Wie stark ein Schallsignal absorbiert wird, ist

abhängig vom jeweiligen Absorptionsgrad der Gegenstände und Hindernisse. Die Werte

liegen dabei zwischen 0 für komplette Reflexion und 1 für komplette Absorption, wobei

9 Vgl. Kuttruff, Heinrich: Akustik – Eine Einführung, 2004, S. 251 10 Vgl. Weinzierl, Stefan: Handbuch der Audiotechnik, 2008, S. 282 f. 11 Vgl. Kuttruff, Heinrich: Room Acoustics, 2009, S. 219 ff. 12 Vgl. Friesecke, Andreas: Die Audio-Enzyklopädie, 2007, S. 29 ff. 13 Vgl. Görne, Thomas: Tontechnik, 2011, S. 46 ff. 14 Vgl. Müller, Gerhard et al.: Taschenbuch der technischen Akustik, 2004, S. 22 f.

Grundlagen

6

beide extreme nie gänzlich erreicht werden.15 Eine Absorption erfolgt auch über das Me-

dium Luft, was dazu führt, dass je größer die Entfernung zur Schallquelle ist, desto leiser

das Signal zu hören ist. Dabei gilt auch, dass die Energie der Frequenzen zunehmend ab-

fällt, je höher diese sind. Hohe Frequenzen besitzen eine geringere Energiekapazität, so-

dass die Ausbreitung für hohe Frequenzen einen kleineren Radius besitzt als für tiefe Fre-

quenzen.16

Dieses wird anhand der Abbildung 1 ersichtlich.

Abbildung 1: Luftabsorption bei einer Luftfeuchtigkeit von 50% und 20° Umgebungstemperatur17

Für die Schallausbreitung muss also bedacht werden, dass die unterschiedlichen Frequen-

zen aufgrund der genannten Einflüsse an jedem Ort unterschiedlich abgestrahlt werden.

Das Abstrahlverhalten ist aber auch von der Bauform, Beschaffenheit und Position der

Schallquelle abhängig. Jedes Instrument strahlt Frequenzen unterschiedlich ab und ver-

fügt somit über ein eigenes Richtverhalten.18,19 Während tieffrequente Schallwellen eher

Kugelförmig abgestrahlt werden, kommt es bei hohen Frequenzen zu einer gerichteten

Abstrahlung.20,21 In der Folge führen diese Faktoren dazu, dass jede Bewegung der Schall-

quelle und jede Manipulation am Raum zu einer Änderung des Klangeindrucks führen.22

15 Vgl. Görne, Thomas: Tontechnik, 2011, S. 82 f. 16 Vgl. Everest, F. Alton et al.: Master Handbook of Acoustics, 2009, S. 117 ff. 17 In Anlehnung an Friesecke, Andreas: Die Audio-Enzyklopädie, 2007, S. 143 18 Vgl. Everest, F. Alton et al.: Master Handbook of Acoustics, 2009, S. 76 ff. 19 Vgl. Meyer, Jürgen: Akustik und musikalische Aufführungspraxis, 2015, S. 209 ff. 20 Vgl. Eargle, John: Handbook of recording engineering, 2003, S. 17 ff. 21 Vgl. Meyer, Jürgen: Akustik und musikalische Aufführungspraxis, 2015, S. 107 ff. 22 Vgl. Dickreiter, Michael et al.: Handbuch der Tonstudiotechnik, 2014, S. 31 ff.

Grundlagen

7

2.1.2 Aufbau des Schallfeldes

Nachdem erörtert wurde wie sich der Schall ausbreitet, geht es im Folgenden zum zeitli-

chen Aufbau des Schallfeldes. Dieser ist grob in drei verschiedene Phasen unterteilt. Zu-

nächst trifft der Direktschall auf den Hörer. Dieser wird ohne Umwege von der Schallquel-

le zum Hörer transportiert. Er ist vor allem entscheidend für die Klarheit, Transparenz und

Ortung der Schallquelle.23,24

Danach treffen einzelne Reflexionen ein (englisch: Early Reflections), die durch Begren-

zungsflächen und Gegenstände erzeugt werden. Diese sind sehr wichtig für das Hörereig-

nis, denn durch deren Verzögerung, Einfallsrichtung und Stärke, ergibt sich für uns ein

Raumeindruck. Die ersten Reflexionen geben auch Auskunft über die Entfernung zur

Schallquelle und tragen mit dem Direktschall zur Lokalisation dieser bei. Je größer der

Zeitabstand zwischen dem Direktschall und den ersten Reflektionen, desto größer wirkt

der Raum.25 Sind die Abstände größer als 30ms, so können die Reflektionen auch als

Echos wahrgenommen werden, was gerade für die Sprachverständlichkeit oder Transpa-

renz von rhythmischen Musikstücken hinderlich sein kann.26,27

Erst danach entsteht der Nachhall (englisch: Reverb-Time), welcher durch eine Verdich-

tung weiterer Reflektionen geschaffen wird, die im Raum hin und her zirkulieren. Im Ide-

alfall sollte die Gesamtheit des reflektierten Schalls den kompletten Raum gleichmäßig

erfüllen.28

23 Vgl. Hall, Donald E.: Musikalische Akustik, 2008, S. 320 ff.

Je schneller sich der Nachhall eines Raumes aufbaut, desto kleiner ist der Raum

und je länger der Nachhall eines Raumes anhält desto größer ist er. Dabei muss auch der

Absorptionsgrad beachtet werden. Der Nachhall ist bei breitbandigem oder impulsarti-

gem Schall direkt wahrnehmbar. Bei andauernden Schallsignalen baut sich das diffuse

Schallfeld zunächst auf und bildet damit einen sogenannten Anhall. Ist dieser kurz, so

wirkt der Klangeinsatz prägnant, während er bei einem langen Anhall weich klingt. Erst

24 Vgl. Werner, Ulf J.: Handbuch Schallschutz und Raumakustik, 2015, S. 258 ff. 25 Vgl. Dickreiter, Michael et al.: Handbuch der Tonstudiotechnik, 2014, S. 29 26 Vgl. Ballou, Glen M.: Handbook for sound engineers, 1988, S. 37 27 Vgl. Werner, Ulf J.: Handbuch Schallschutz und Raumakustik, 2015, S. 254 ff. 28 Vgl. Everest, F. Alton et al.: Master Handbook of Acoustics, 2009, S. 151 ff.

Grundlagen

8

nach Abklingen der Schallquelle kommt es wiederum zum Nachhall. Als Oberbegriff für

den gesamten diffusen Schall in einem Raum wird der Ausdruck Hall verwendet.29

Die

Abbildungen 2 und 3 veranschaulichen den zeitlichen Verlauf des Schallfeldes.

Abbildung 2: Zeitliche Folge der Reflexionen in einem Raum bei Impulsschall30

Abbildung 3: Zeitlicher Verlauf des Schalldrucks im diffusen Schallfeld an Quelle und Empfänger31

Die Zeit zwischen dem Direktschall und der ersten Reflexionen wird als Pre-Delay be-

zeichnet.32 Die Nachhallzeit eines Raumes wird nach Sabine so definiert, dass es den Zeit-

raum angibt, in welchem der Nachhall nach Abschalten der Schallquelle um 60dB ab-

nimmt. Daher wird der Wert oft als RT60 angegeben.33

29 Vgl. Dickreiter, Michael et al.: Handbuch der Tonstudiotechnik, 2014, S. 29 ff.

Diese genannten Parameter, Early

Reflections, Pre-Delay und Reverb-Time, können in den meisten Hallgeräten bestimmt

30 Dickreiter, Michael et al.: Handbuch der Tonstudiotechnik, 2014, S. 30 31 Werner, Ulf J.: Handbuch Schallschutz und Raumakustik, 2015, S. 235 32 Vgl. Eargle, John: Handbook of recording engineering, 2003, S. 11 ff. 33 Vgl. Ballou, Glen: A sound engineer´s guide to audio test and measurement, 2009, S. 113 f.