Faltungshall, Spiegelschallquellen -...
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Virtuelle Raumakustik
Faltungshall, Spiegelschallquellen
von Kai Oertel
Virtuelle Raumakustik
Inhalt
1. Motivation
2. Raumakustik Grundbegriffe
3. Raumakustische Modelle
4. Virtuelle Raumakustik
5. Fazit
Virtuelle Raumakustik
1. Motivation
• Reflexionen überwiegen im Raum
• Raumakustik hat also wesentlichen Einfluss auf den gehörten Schall
• Physikalisch beschreibbar und daher digital reproduzierbar
• Durch gestiegene Rechenleistung Faltungshall anwendbar
• Für die Erschaffung natürlichen Klanges essentiell
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Schall• Periodische Druckschwankungen in einem Medium
• Wellenförmig
• Schallausbreitung• Longitudinalwelle schwingt in Ausbreitungsrichtung
• Kugelförmig in alle Richtungen
• Abhängig von Form, Beschaffenheit und Größe der Schallquelle
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Amplitude• maximale Auslenkung der Welle
• entspricht Schalldruck beim Schall
• Wellenlänge λ• Distanz, die in einer einzelnen Schwingung zurückgelegt wird
• Frequenz f• Anzahl der Schwingungen pro Sekunde
• Entspricht Tonhöhe beim Schall
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Schallgeschwindigkeit c• Lässt sich aus Wellenlänge und Frequenz berechnen
• Temperaturabhängig
• Stark abhängig vom Übertragungsmedium
• 343 m/s bei Luft 20°C
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Reflexion• Schall wird an schallharten Oberflächen reflektiert
• Einfallswinkel = Ausfallswinkel
• Absorption• Schall wird statt reflektiert zu werden absorbiert
• Umwandlung von Schall in Wärmeenergie
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Beugung• Schall beugt sich um Schallharte Oberflächen herum, die kleiner als seine
Wellenlänge sind
• Schallschatten
• Diffuse Reflektion • An Schallharten Strukturen dessen Tiefe im Bereich der Wellenlänge wird Schall
frequenzabhängig diffus gestreut
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Schalldruck p• Die Luftdruckschwankungen um den statischen Luftdruck
• Gemessen in Pascal, also Newton pro Quadratmeter
• Entfernungsabhängig
• Schalldruckpegel dB SPL• Logarithmische Darstellung des Schalldrucks
• Bezugswert p0 = 20 µP entspricht Hörschwelle des Menschen bei 1 kHz
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Hörbarer Schall von 16 Hz bis 20 kHz
• Bass nicht lokalisierbar
• +10 dB Schalldruck verdoppelt subjektiv die empfundene Lautstärke
• Ortung durch Zeit- und Pegelunterschiede zwischen beiden Ohren
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Large Room Acoustics• Raum dessen Größe außerhalb der Wellenlänge des Hörschalls ist
• Kaum frühe Reflektionen
• Probleme mit Echos
• Small Room Acoustics• Raum dessen Größe teilweise im Bereich der Wellenlänge des Hörschalls ist
• Viele frühe Reflexionen
• Keine Probleme mit Echos
• Auftreten des Druckkammereffektes
Folie 11 von 34Kai Oertel
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Direktschall• Der Schall, der von der Quelle direkt das Ohr erreicht
• Raumschall• Der Schall, der vom raum reflektiert das Ohr erreicht
• Hallradius• Distanz von der Quelle bei der Direktschall und Raumschall gleich laut sind
• Frequenzabhängig
• Innerhalb des Hallradius steigt der Schalldruck mit 6 dB pro Abstandshalbierung
• Außerhalb des Hallradius bleibt der Schalldruck weitgehend konstant
• Berechnung Abhängig vom Nachhall und Raumvolumen
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Absorptionsgrad α• Der Absorptionsgrad bestimmt das Verhältnis zwischen Absorption und
Reflexion an einer Oberfläche
• α = 1 bedeutet vollständige Absorption
• α = 0 bedeutet vollständige Reflexion
• Der Absorptionsgrad ist frequenzabhängig
• Absorptionsfläche A• A = α * Oberfläche
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2. Raumakustik Grundbegriffe
• Impulsantwort• Akustische Antwort eines Raumes durch Anregung mittels Schallimpuls
• Die Impulsantwort ist die akustische Signatur eines raumes
• Aus der Impulsantwort lassen sich alle Raumakustischen Parameter berechnen
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3. Raumakustische Modelle
• Unterteilung in 3 Modelle• Wellentheoretische Raumakustik
• Statistische Raumakustik
• Geometrische Raumakustik
• Wellentheoretische Raumakustik ist nur sinnvoll bei Small RoomAcoustics
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3.1. Geometrische Raumakustik
• Funktioniert bei hohen Frequenzen
• Schallausbreitung gemäß der Gesetze der Optik
• Reflexion an jeder Wand und Fläche größer als die Wellenlänge
• Schalldruck der Reflexion ist abhängig vom Absorptionsgrad α
• An konkav geformten Reflektoren entstehen gebündelte Reflexionen
• An konvex geformten Reflektoren entstehen gestreute Reflexionen
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3.1. Geometrische Raumakustik
• Aufgrund der Wegunterschiede zwischen Direktschall und Reflektion entstehen Zeitunterschiede
• Die Anzahl der Reflexionen, die ein Schallstrahl braucht um zum Hörer zu gelangen bestimmt seine Ordnung
• Im Quaderförmigen Raum 6 Reflektionen pro Ordnung
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3.1. Geometrische Raumakustik
• Early Reflection Delay ERD• Zeitversatz zum Direktschall der ersten Reflektionen
• ERD von 0 bis 1 ms sind nicht von dem Direktschall zu unterscheiden
• Reflexionen von 1 bis 15/20 ms verfärben den Klang besonders stark
• Reflexionen von 15/20 bis 50/80 ms erhöhen Deutlichkeit und Klarheit der Musik, außerdem entsteht ein akustischer Raumeindruck
• Reflexionen nach 50/80 ms verringern Deutlichkeit und Klarheit der Musik und Reflexionen sind als Einzelechos hörbar
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3.1. Geometrische Raumakustik
• Beispielraum 1: Badezimmer
• Beispielraum 2: Wohnzimmer
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3.2. Statistische Raumakustik
• Nachhallzeit T60• Die Zeit die Ein Schallimpuls braucht um im Raum 60 dB an Schalldruck zu
verlieren
• Wichtigste akustische Kenngröße für einen Raum
• Die Nachhallzeit ist Frequenzabhängig, aber idealerweise Frequenzunabhängig
• Abhängigkeit vom Absorptionsgrad der betrachteten Frequenz
• Außerdem abhängig vom Raumvolumen
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3.2. Statistische Raumakustik
• Nachhallformel nach Sabine• T60 = 0,161 * V/A
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3.2. Statistische Raumakustik
• Beispielraum 1: Badezimmer
• Beispielraum 2: Wohnzimmer
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4. Virtuelle Raumakustik
• Da Schallereignisse ohne Raumklang unnatürlich klingen und gut klingende Räume selten sind, wird virtuelle Raumakustik benötigt
• Analoge Hallgeräte• Bevor es Digitale Lösungen gab wurden analoge Geräte eingesetzt (ab 1950)
• Zum Beispiel Federhall Geräte
• Unbefriedigende Ergebnisse
• Groß
• teuer
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4. Virtuelle Raumakustik
• Digitale Hallgeräte• Existieren seit Ende der 1970er Jahre
• DSP mit Algorithmen zur Hallerzeugung
• Genaue Algorithmen meist geheimnisse der Hersteller
• Parameter des zu imitierenden Raumes genau einstellbar
• Werden immer Besser
• Software Hallgeräte• Gibt es seit etwa 1990
• Ermöglichen die Effekte von digitalen Hallgeräten in Software
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4.1. Spiegelschallquellen
• Verfahren zur Simulation der Akustik Virtueller Räume
• Für Planung akustisch genutzter Räume und Simulation nicht existierender Räume
• Reflexionen werden durch Spiegelschallquellen ersetzt
• Der Abstand der Spiegelquelle entspricht der Laufzeit des reflektierten Schallstrahls
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4.1. Spiegelschallquellen
• Spiegelquellen Modell für Rechteckigen Raum
• Der Raum wird mit der Schallquelle an den Wänden und in den Ecken gespiegelt
• Der Abstand der Spiegelquelle bestimmt die Ordnung der Reflexion
• Berechnung der Impulsantwort durch alle Spiegelschallquellen
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4.2. Faltungshall
• Faltungshall wird genutzt um mit dem exakten Hallspektrum eines Raumes eine Schallquelle zu verhallen
• Mittels Faltungshall kann eine Schallquelle so klingen, als wäre es an der Position des Mikrofons und die Schallquelle an der Position des Lautsprechers bei der Messung/Simulation aufgenommen worden
• Klanglich kaum von einer realen Aufnahme im Raum zu unterscheiden
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4.2. Faltungshall
• Faltungshall kann mit gemessenen Impulsantworten von realen Räumen oder simulierten Impulsantworten von virtuellen Räumen angewandt werden
• Berechnung durch mathematische Faltung• Trockenes Signal * Impulsantwort
• Diskrete Faltung• Faltung erfolgt direkt im Ortsraum
• Nicht praktikabel da zu rechenaufwendig
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4.2. Faltungshall
• Schnelle Faltung1. Trockenes Signal und Impulsantwort mit Fast Fourier Transformationen in den
Frequenzbereich umrechnen
2. Resultierende Spektren falten
3. Mit inverser Fast Fourier Trans-
formation zurück in den Orts-
bereich umrechnen
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4.2. Faltungshall
• Diskrete Faltung pro Minute Stereo bei 44,1 kHz Abtastfrequenz und einer 4 Sekunden Impulsantwort:
60 x 44100 x 4 x 44100 x 2 = 933.508.800.000 Rechenoperationen
• Schnelle Faltung in der Praxis in Echtzeitanwendungen nur genähert
• Latenzen bei Echtzeitanwendungen
• Hohe CPU Belastung
• Kann nicht manipuliert werden
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5. Fazit
• Natürlicher Raumklang durch Faltungshall synthetischem Hall überlegen
• Faltungshall ist einfach zu verwenden
• Unzählige Impulsantwortmessungen von bekannten Konzertsälen verfügbar
• Mit steigender Rechenleistung steigende Möglichkeiten für Faltungshall
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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Quellen
• http://www.sengpielaudio.com/Rechner-schallgroessen.htm
• https://www.fh-muenster.de/fb5/downloads/departments/henze/Raumakustik.pdf
• http://youngbloodstudios.de/image/Facharbeit.pdf
• http://www6.in.tum.de/pub/Main/TeachingSs2003AlgorithmenWerkzeugeAudiobearbeitung/v3-hall2.pdf
• http://www.tontempel.de/docs/hallgeraete.pdf
• https://www.hdm-stuttgart.de/~curdt/Ilaender.pdf
• http://edoc.sub.uni-hamburg.de/haw/volltexte/2014/2730/pdf/BA_Witek.pdf
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Quellen
• https://www.avosound.com/de/tutorials/impulse-antworten-aufnehmen/grundlagen-impulsantworten-erstellen
• https://users.informatik.haw-hamburg.de/~ubicomp/projekte/master2015-gsem/heidtmann/folien.pdf
• https://de.wikipedia.org/wiki/Faltungshall
• https://www.hdm-stuttgart.de/~curdt/Faltungshall.pdf
• http://iem.kug.ac.at/fileadmin/media/iem/altdaten/projekte/acoustics/awt/krejci/krejci.pdf
Folie 34 von 34Kai Oertel