Schulung: "Beschallungstechnik sinnvoll einsetzen!" PDF

Schulung: "Beschallungstechnik sinnvoll einsetzen!" AVH 11.07.2024 Holen Sie das Beste aus der Beschallung heraus! Durch das Verständnis der Grundlagen der elektrischen und raumakustischen Eigenschaften und ihrer Beziehungen...

Schulung: "Beschallungstechnik sinnvoll einsetzen!" AVH 11.07.2024 Holen Sie das Beste aus der Beschallung heraus! Durch das Verständnis der Grundlagen der elektrischen und raumakustischen Eigenschaften und ihrer Beziehungen 2 Agenda Part 1 – WOZU Klang - Schallausbreitung - Im Freien - Qualität Part 2 – WIE Elektroakustische Kette Part 3 – PRAXIS - Hands On Mischpult - Verstärkung - Signalkette 3 Agenda Vortrag Teil 1: „Wozu braucht man eine Beschallungsanlage“ Die wesentlichen Grundgrößen der Akustik Was heißt laut? Das Dezibel praktisch anwenden Wie breitet sich der Schall im Freien aus? Wissen, was der Raum beiträgt Vortrag Teil 2: „Wesentliche Elemente der Elektroakustik“ Die Funktionen in der elektroakustischen Kette Praktische Übungen mit typischen Komponenten 4 Bedürfnisanalyse Es geht um Kommunikation 5  Wozu brauchen wir eine Beschallungsanlage? Hier scheint es Qualitätsunterschiede zu geben? Was sind akustische Qualitäten? Klarheit Sprach- Hörbarkeit verständlichkeit Welches sind die akustischen Qualitäten? Hörsamkeit Deutlichkeit Klarheit Durchsichtigkeit 6  Klang braucht ein Medium Wo kann sich Schall ausbreiten? Schall ist die Ausbreitung von Druckschwankungen. Je dichter die Moleküle des Mediums gepackt sind, desto höher ist die Geschwindigkeit der Schallwellen in diesem Medium. Wassermoleküle sind dichter gepackt als Luftmoleküle. Das bedeutet, dass die Dichte von Wasser größer ist als die Dichte von Luft. Die Geschwindigkeit der Schallwellen ist proportional zur Dichte des Mediums. 7  Schallausbreitung https://javalab.org/en/wave_propagation_en/ https://www.geogebra.org/m/AnSkynVH Schallausbreitung In der Wissenschaft ist eine Welle ein Phänomen, bei dem Energie durch ein Medium übertragen wird. Es ist die einzige Energie, die durch die Welle übertragen wird. Das Medium schwingt nur, bewegt sich aber nicht wirklich. Nicht alle Wellen benötigen ein Medium. Insbesondere das Licht (elektromagnetische Welle) ist eine Welle, die ohne ein Medium übertragen wird. Schall breitet sich als longitudinale Welle in einem Medium aus. Die Teilchen des Mediums bewegen sich durch die Schallwelle um ihre Ruhelage, sie werden jedoch nicht mit der Welle transportiert. Schallwellen transportieren Energie und Information, aber keine Materie! (https://www.laermorama.ch/m1_akustik/schall_w.html) 8  Wellen: Teilchen in Bewegung Schallwellen Die Schallleistung ist die Ursache und der Schalldruck ist die Wirkung. Bei einer punktförmigen Quelle ist die Ausbreitung kugelförmig. Hier wird eine 2-dimensionale Darstellung gezeigt. 9  Leistungsformel und Ohmsches Gesetz in der Akustik ! Schallintensität: “Ohmsches Gesetz” I=pxv p=Z×v wobei U=RxI (URI) p der Schalldruck v die Schallschnelle ist Leistungsformel und Ohmsches Gesetz in der Akustik ! Man kann elektrische Werte mit akustischen Werten vergleichen. Uns ist der „Schalldruck“ geläufiger, weil unser Ohr (Trommelfell) nur auf Luftdruckschwankungen reagiert. Doch die gesamte Energie besteht aus beiden Faktoren: Schalldruck und Schallschnelle. Wie die Leistung (Energie) in der Elektrotechnik: Spannung und Strom. 10  Impuls-Weiterleitung Schalldruckpegel p Schallschnelle v Schall(ausbreitungs)-geschwindigkeit c Impuls-Weiterleitung Die Abbildung zeigt den Vorgang am Beispiel einer Feder. Hier sieht man, dass die Teilchen (schwarze Punkte) in Richtung der Druckweitergabe schwingen. Dies nennt man longitudinale Ausbreitung. Bei Licht z. B. schwingen die Teilchen senkrecht Ausbreitungsrichtung (Transversal) 11  Scheitel Tal Schallausbreitung Wellenlänge Wellenlänge Verdichtung Ausdünnung Wellenlänge Wellenlänge Luftschall ist nichts anderes als Schwankungen des Atmosphärendrucks. Durch die Schwingungen der Moleküle entstehen Bereiche mit Verdichtungen (Überdruck) und Ausdünnungen (Unterdruck). Über die Zeit aufgetragen ergibt sich eine Sinuskurve. 12  Frequenz Frequenz = 1 Hertz Frequenz = 2 Hertz Ein Zyklus pro Sekunde Zwei Zyklen pro Sekunde Ruhe- position Frequenz Anzahl der Schwingungen pro Sekunde 1 Hz = 1 s−1 („eins pro Sekunde“) Die Einheit „Hertz“ wurde 1930 nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz benannt. 13  Schallausbreitungsgeschwindigkeit Quelle: Leifiphysik Schallausbreitungsgeschwindigkeit Die Geschwindigkeit, mit der der Druck weitergegeben wird, ist vom Medium und Temperatur abhängig, bei Luft beträgt sie 343 m/s bei 20° C. Oft wird auch mit 340 m/s gerechnet. (ca. 1235 km/h) c=s/t (Weg / Zeit) Für uns in der Praxis ist allerdings die Angabe wie lange der Schall für eine bestimmte Strecke braucht interessanter. Durch Umformen der Gleichung erhält man folgenden Zusammenhang: Für eine Strecke von einem Meter benötigt der Schall 3 Millisekunden 14  21 … 22 … 23 … 3s -> 1 km 3 ms -> 1 m Manche kennen dies auch mit Blitz und Donner. Bloß um Faktor 1000 größer. Picture: https://www.innsalzach24.de/bilder/2018/05/19/9884307/352096366-gewitter-ueber- brandenburg-2I3Qn1rcef.jpg 15 Wellenlänge & Frequenz c λ: Wellenlänge = c: Schallgeschwindigkeit (~ 343 m/s) f f: Frequenz (Hz: Hertz, 1 Schwingung/sec) m dm cm LF MF HF 100 Hz3,5 m 1 kHz 35 cm 10 kHz 3,5 cm 16  Frequenzen - Hörbarer Bereich – 20 Hz to 20.000 Hz (20 kHz) Grün: Oktaven Verdoppelung der Frequenzen Schwarz: 1/3 Oktaven zwei Bänder mehr in einer Oktave Frequenzen - Hörbereich Oktave Eine Oktave entspricht der Verdoppelung bzw. Halbierung der Frequenz (Frequenzverhältnis 1:2). Z. B.: 500Hz - 1000 Hz – 2000 Hz In der Musik sind dies 8 Tonschritte, daher der Name. Terz oder 1/3 Oktave Teilung der Oktave durch 3. In der Musik eine Terz. https://sengpielaudio.com/Rechner-notennamen.htm 17 Beugung 18  Beugung Wellenlänge vs. Ausdehnung des Hindernisses Michael Dickreiter et al., Hrsg., Handbuch der Tonstudiotechnik 19 Drop 20 Sound-Eigenschaften Energie - > Amplitude (dB) Frequenz 20 Hz – 20.000 Hz Zeit 3 ms / m Alle akustischen Eigenschaften sind frequenzabhängig 21 Weiter vorne ist es „lauter“ => Was ist Lautstärke? 22  100 Mio μPa (Schmerzgrenze) 20 μPa (Hörschwelle) x 5 000 000 Menschlicher Hörbereich (Dynamik) Lautheit / Lautstärke Es gilt dabei das Weber-Fechnersche Gesetz, laut dem die Änderung der Wahrnehmung mit dem Logarithmus der Änderung des Reizes einhergeht. Um dem nahe zu kommen und um unhandlich große Zahlen zu vermeiden, werden für gewöhnlich Pegel in dB und nicht die physikalischen Größen selbst angegeben (Görne 2006, S.31). Eine Veränderung von 10 dB werden als doppelt bzw. halb so laut empfunden! (Psychoakustik) Technisch, physikalisch gemessen beträgt die Verdopplung / Halbierung des Schalldruckpegels 6 dB. 23 24 Dezibel – Definition für Leistungsverhältnisse Faktor Exponent Bel deziBel x 100 102 2 x 10 20 x 1.000 103 3 x 10 30 x 100.000 105 5 x 10 50 P1 𝐋𝐞𝐢𝐬𝐭𝐮𝐧𝐠 𝟏 10 × log Ratio: 𝐋𝐞𝐢𝐬𝐭𝐮𝐧𝐠 𝟐 P2 25 Logarithmen - Große Zahlen reduzieren! Logarithmisch 26 27 Das Dezibel beschreibt Leistungsverhältnisse P1 10  log P2 x2 => + 3 dB /2 => - 3 dB 28 Dezibel – Leistung und Spannung U=Spannung, R=Widerstand, I=Strom I U  R I I U R U R U² P  UI P R 29 Dezibel – Leistung und Spannung P1 U1² 10  log 10  log P2 U2² U1 20  log U2 Leistung Spannung 30  Dezibel Leistung Dezibel spannungs- Wichtige proportional P dB SPL, U, I Werte 1 0 dB 1 2 3 dB 1,41 4 6 dB 2 10 10 dB 3,16 100 20 dB 10 1.000.000 60 dB 1.000 Leistungsgrößen Leistungswurzelgrößen (früher: Feldgröße) 31 Ein Dezibel ist ein Dezibel ist ein Dezibel 1V x 1A = 1W x2 x2 x2 x2 = x4 2V x 2A = 4W 6 dB 6 dB 6 dB 32  Dezibel als „Einheit“ ??? Leistungspegel dBW Bezug: 1 Watt 0dBW ≙ 1W 3dBW ≙ 2W dBm Bezug: 1 Milliwatt 0dBm ≙ 1mW Spannungspegel dBV Bezug: 1 Volt 0dBV ≙ 1V 6dBV ≙ 2V dBu Bezug: 0,775 Volt 0dBu ≙ 0,775V 6dBu ≙ 1,55V LINE-Pegel 4dBu ≙ 1,24V Sound Pressure Level dBSPL Bezug: 20 µPa 0dBSPL ≙ 20 µPa 6dBSPL ≙ 40 µPa Dezibel als „Einheit“ ??? Die Größen dBm und dBu stimmen dann überein, wenn der Spannungspegel an dem standardisierten Abschlusswiderstand von 600 Ohm gemessen wird. Im Audiobereich werden heute üblicherweise die Spannungspegel dBV (Consumer) und dBu (Professional) verwendet. 33  Verwendung der Dezibel Dezibel sind Vergleiche und keine absoluten Größeneinheiten, daher muss ein Bezugspunkt verwendet werden. Gängige Bezugspunkte sind im Folgenden aufgeführt: Einheit Referenz-Pegel dBW 1 Watt Wahrnehmungen des menschlichen Gehörs Änderung um ein dBm 0,001 Watt gerade noch hörbar. Dezibel Drei Dezibel dBV 1 Volt erste spürbare Veränderung Veränderung Zehn Dezibel Wird entweder als doppelt oder halb so dBu 0,775 Volt Änderung laut wahrgenommen dB SPL.00002 Pascal 34 Freifeld 35  Abstandsgesetz - Punktschallquelle Auslösung eines Schallereignisses, z. B. Impuls Zeit T = 0 ms 36  Abstandsgesetz (Entfernungsgesetz) 16 A A 4A Ld = 0 dB Ld = -6dB Ld= -12dB R = 1m R = 2m R=4m Schallausbreitung Geschwindigkeit: 3 ms / m Fläche: Vervierfachung pro Abstandsverdopplung Damit nur noch ein Viertel der Energie pro Flächeneinheit. "inverse square law" (Die Energie verhält sich umgekehrt zum Quadrat des Abstands) 37 Abstandsgesetz 2R R A 4A 38 39 Graphische Bestimmung des Direktschallpegels mit der Entfernung. Ausgangslage: SPL von 75 dB SPL in einem Meter Entfernung von einer Schallquelle. Berechnen !!!! 40 Entfernungsgesetz - Rechenbeispiel Ausgangslage: SPL von 75 dB SPL in einem Meter Entfernung von einer Schallquelle. Berechnen: 9mal –6 dB (Halbierung des Schalldruckpegels mit jeder Entfernungsverdopplung) Oder: 20 x log ( 512 m / 1 m) = 54 dB => 75 dB SPL – 54 dB = 21 dB SPL Das bedeutet, der Pegel ist noch 11mal höher als an der Hörschwelle (0 dB SPL = 20 μPa). Also „hörbar“. Warum es nicht verständlich ist, liegt an den Störgeräuschen! Störschall – Noise (N) 41  Signal / Noise Signal 90 Signal Noise 80 [ dB SPL] [dB SPL] 70 65 dB SPL Schalldruckpegel 60 S/N = 25 dB 47 dB SPL Schalldruckpegel 50 Noise 7dB 40 30 0 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 Entfernungin Entfernung D xMetern in Metern +6dB +6dB +6dB = 18 dB Beispiel: Eine Person, die sich der Signalquelle von 32 m auf 4 m Abstand nähert, hat einen Pegelgewinn von 18 dB. Und damit eine Verbesserung des S/N von 7 dB zu 25 dB Störabstand. Für Sprachverständlichkeit ist es nicht nötig, einen größeren Störabstand als 25 dB zu erreichen. Ab 15 dB kann man mit einer ausreichenden Verständlichkeit rechnen, zum Beispiel für Durchsagen. 42  Einsatz einer Beschallungsanlage 90 Signal 80 S c ha lld r u c k pe g e l [d B S P L ] 70 60 + 18 dB 50 47 dB SPL Noise 40 30 0 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 Entfernung Dx in Metern 43 Ziel: 65 dB SPL in 32 m ! Dann wird die Zuhörerschaft akustisch von 32 m auf 4 m gebracht. Bedeutet z. B. für eine Frontbeschallung, dass der Lautsprecher in einem Meter einen Pegel von 95 dB SPL haben muss. 43  Wozu also ??? EAD: Equivalent Acoustic Distance 44  90 dB SPL Empfindlichkeit, Kennschalldruck 1W / 1m dB SPL ΔdB W m 90 dB 1 1 __ dB 2 1 __ dB 2 2 Verdopplung Leistung: ___ dB Verdopplung Entfernung: ___ dB Vorzeichen beachten ! Pegel bei 2 Watt in 2 Meter Entfernung: => _____ ????? SPL-Kennschalldruck = + 10*LOG(Leistung) - 20*LOG(Entfernung) 45  90 dB SPL Empfindlichkeit, Kennschalldruck 1W / 1m dB SPL ΔdB W m 90 dB 1 1 93 dB +3 2 1 87 dB -6 2 2 Verdopplung Leistung: + 3 dB Verdopplung Entfernung: - 6 dB Pegel bei 2 Watt in 2 Meter Entfernung: => 87 dB SPL SPL-Kennschalldruck = + 10*LOG(Leistung) - 20*LOG(Entfernung) 46 https://www.youtube.com/watch?v=YXIplpdxNG4 47  Direktschall Direktschall Schall der, ohne eine Oberfläche zu berühren, am Zuhörerort eintrifft. Er entspricht der Schallausbreitung im Freien. Es gilt das Abstandsgesetz: Pegelabfall um 6 dB bei Entfernungsverdopplung 48  Reflektionen 1. Ordnung Reflektionen 1. Ordnung 1. Ordnung heißt: eine Wandberührung Da dieser Schall einen längeren Weg zurücklegt, kommt er kurz nach dem Direktschall beim Zuhörer an. Außerdem ist er durch das Abstandsgesetz und eventuelle Absorption an den Oberflächen im Pegel niedriger. Direktschall erste Reflektionen Zeit in ms 49  Vielfache Reflektionen -> Nachhallfeld Vielfache Reflektionen -> Nachhallfeld Durch wiederholte Reflexionen und weitere Ausbreitung ist die verbleibende Schallenergie irgendwann nahezu gleichmäßig im Raum verteilt. Im Gegensatz zum „Freifeld“ ist die Energie im „gefangen“. Das so entstandene Schallfeld wird als Nachhall bezeichnet. Er ist sowohl subjektiv hörbar als auch objektiv messbar. Der Nachhallpegel hängt von der Lautstärke des Originalsignals ab. Wenn das Originalsignal endet, nimmt der Nachhallpegel mit der Zeit ab. Die Zeit, die es braucht, bis das Nachhallfeld um einen gewissen Pegel abnimmt, nennt man die Nachhallzeit. Der sich der Nachhall im gesamten Raum verteilt, also auch auf der Bühne, wo Mikrofone stehen, wird hier auch die Rückkopplung (Feedback) erzeugt. Sie klingt im Gegensatz zur direkten Rückkopplung langsam an und besteht aus einzelnen Tönen mit bestimmten Frequenzen. Die Rückkopplung aus dem Nachhallfeld ist die Grenze der Verstärkung (Gain before Feedback) die eine Live-Beschallungsanlage bringen kann. Mit der örtlichen, zeitlichen und frequenzmäßigen Zusammensetzung von Direktschall, Reflexionen und Nachhall können die wichtigsten akustischen Eigenschaften eines Raumes beschrieben werden. 50  Diffusfeld (Nachhallfeld) Direktschall Schalldruck frühe Reflexionen Nachhallfeld Umgebungsgeräusch Zeit 51  Direktschall und Reflexionen am Hörerort Zeitliche Darstellung von Reflektionen Die unterschiedlichen Ankunftszeiten des gleichen akustischen Ereignisses am Ohr können sich sowohl positiv als auch negativ auswirken. Frühe Reflexionen (vor ca. 50 Millisekunden) erhöhen den Lautheitseindruck und werden deshalb auch nützliche Reflexionen genannt. Spätere können sich als erkennbares Echo bemerkbar machen bzw. das Nachhallfeld bilden. 52  Echo-Kriterium Lärmorama - Akustik Grenze: ca. 50 ms 53  Nachhallzeit RT60 (T60) Signal wird ausgeschaltet L [dB] Rauschsignal 60 dB (Störschall) Noise t [s] RT60 Nachhallzeit RT60 Zeitintervall, in dem der Schalldruckpegel um 60 dB abfällt. 54 Vorzugebene Werte für die Nachhallzeit TSoll je nach Raumnutzung und Raumvolumen. NOCKE Christian_Die neue DIN 18041_Fachartikel.pdf Quelle: DIN 18041 Hörsamkeit in Räumen DIN 18041 – Hörsamkeit in Räumen Die Norm beschreibt u. a. welche Nachhallzeiten je nach Nutzungsart nicht überschritten werden sollen. Nutzung von Räumen und empfohlene Nachhallzeit Auch die Nachhallzeit ist frequenzabhängig (!), üblicherweise in den Oktavbändern von 125 Hz bis 4000 Hz angegeben. Oktave = Verdopplung der Frequenz 55  dB SPL Pegel im Raum: 100 LD + LR = LT 90 80 70 60 Reverb 50 40 30 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 r in m Pegel im Raum Zeitlich zuerst und auf dem kürzesten Weg kommt der Direktschall (LD), der zum Nachhallfeld mit dem Pegel (LR) führt. Die Summe aus beiden ist der Gesamtpegel (LT). Das Verhältnis D/R ist nach S/N das zweite Pegelverhältnis, dass wesentlich für Hörsamkeit und Sprachverständlichkeit ist. 56  Critical Distance – "Hallradius" bei Kugelschallquelle dB SPL 100 Direct 90 Reverb 80 70 60 Reverb 50 40 30 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 r in m Critical Distance Critical Distance - Hallradius Abstand, bei dem der Schalldruckpegel des Direktschalls LD und des Nachhalls LR gleich ist. 57  Bündelung von Schall Bündelung von Schall Der einzige elektroakustische Weg den Direktschall zu erhöhen, ohne das Nachhallfeld stärker anzuregen, ist die Bündelung. 58  dB SPL 100 90 80 Direct Reverb 70 60 50 40 30 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 r in m Bündelung erhöht den Direktschall ohne das Nachhallfeld weiter anzuregen. Die in den Raum eingebrachte Schallenergie bleibt gegenüber der Kugelschallquelle gleich! 59 Gesamtes (Total) Schallfeld im Raum Lt = Ld + Lr Q= 1, DI= 0dB Critical Distance Critical Distance Q=1 Q = 10 Omnidirectional 60  Mehrere Quellen Mehrere Quellen Jeweils ein Lautsprecher ist für Direktschall zuständig, gleichzeitig tragen beide zum Nachhallfeld bei! 61  Einflussfaktoren auf die Verständlichkeit S  Entfernung Wirkungsgrad Empfindlichkeit elektr. Leistung Unabhängig N Störgeräusche D Bündelung ! Abhängigkeit! R Nachhallzeit Anzahl der Quellen Raumvolumen 62 Was kann man von den Amphitheatern bezüglich Akustik lernen? Stichworte: - Reflexionen, nützlich, Echos … - Sitzanordnung - …. Und was ist der Unterschied zu heute? Signal zu Noise! "Eines Tages werden wir den Lärm ebenso unerbittlich bekämpfen müssen wie die Cholera und die Pest." Das prophezeite der Medizin-Nobelpreisträger Robert Koch (1843-1910). 63  Don Davis Don Davis, der zusammen mit seiner Frau Carolyn 1973 Synergetic Audio Concepts oder Syn-Aud-Con (jetzt SynAudCon) gründete und darüber hinaus ein bekannter Autor, Produkt- und Technikdesigner und vieles mehr war, ist im Alter von 94 Jahren verstorben. Gemeinsam haben Don und Carolyn im Laufe von über 20 Jahren mehr als 10.000 Tontechniker, Designer und Berater auf der ganzen Welt ausgebildet und geschult. SynAudCon wurde 1995 von Pat und Brenda Brown übernommen und schult noch immer die weltweite Gemeinschaft der Audioexperten. BUCH: IF BAD SOUND WERE FATAL, AUDIO WOULD BE THE LEADING CAUSE OF DEATH (WENN SCHLECHTER TON TÖDLICH WÄRE, WÄRE AUDIO DIE HÄUFIGSTE TODESURSACHE) von Davis, Carolyn; Davis, Don ISBN: 9781414078830 / 1414078838 Verlag: AuthorHouse , 2004 Ausgabe: Softcover Sprache: Englisch 64  Absorptionskoeffizient Absorptionskoeffizient Absorptionskoeffizient Der andere Weg das D zu R Verhältnis zu erhöhen, ist, die Nachhallzeit zu reduzieren. Dies geschieht mit Absorptionsmaterial. Der Grad der Absorption wird in Prozent angegeben, oder als ein Wert (Alpha) zwischen 0 und 1. 65 https://www.schallsauger.de/schallabsorber-wand.html 66 67 68