Autor Thema: Was sind Raummoden - Aufstellung von Subwoofern  (Gelesen 16693 mal)

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Offline Poison Nuke

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Was sind Raummoden - Aufstellung von Subwoofern
« am: 14. Jan. 2007, 14:04 »
In diesen Thread kläre ich auf, was man unter dem Begriff "Raummoden" versteht, wie diese sich ausprägen, und wie man sie durch geschickte Aufstellung des Subwoofersystems verhindern kann.

Was sind Raummoden?
In http://allabout-hifi.magnetofon.de/index.php?topic=231 Thread habe ich erklärt, wie stehende Wellen entstehen. Wenn man nun weiter zwei, zueinander parallele Wände hat, und eine Schallwelle wird zwischen diesen beiden Wänden hin und her reflektiert, dann entstehen vor beiden Wänden entsprechend stehende Wellen. Bei einer bestimmten Frequenz; 2 * Raumlänge = Lambda; passen beide stehende Wellen exakt übereinander und prägen sich voll aus. Bei Frequenzen, die nicht ein Vielfaches dieser Frequenz sind, befinden sich die Druck- und Schnellemaximas an verschiedenen Stellen, wodurch sich die Effekte zum Teil aufheben und sich keine stehende Welle ausprägen kann. Lediglich in der Nähe von Wänden wird man immer das erste Druck- und Schnellmaximum vorfinden. Diese Gesetzmäßigkeit ist auch die Grundlage für alle akustischen Maßnahmen in einem Raum.



Die erste Raummode:



auf dem Bild sieht man, wie zwischen zwei Wänden eine stehende Welle sich voll ausprägen kann. An jeweils den Wänden befindet sich ein Druckmaximum, und in der Mitte des Raums ist das Schallschnellmaximum.

Bei welcher Frequenz die erste Raummode eintritt, wird mit folgender Formel berechnet

Frequenz = Schallgeschwindigkeit / (Raumabmessung*2)

Beispiel:
Raumlänge = 6,88m
344 / (6,88*2) = 25Hz

25Hz ist also die erste Raummode bei einem Wandabstand von 6,88m.


Man kann erkennen, dass diese Raummode gleichzeitig die tiefste liegende Raummode der jeweiligen Abmessung ist, weil sobald die Frequenzen noch tiefer werden, passt die Schallwelle nicht mehr zwischen die Wände. Wenn der Raum in einer andere Richtung noch eine größere Abmessung hat, dann kann sich die Schallwelle nun parallel zu den beiden Wänden ausbreiten, ohne dass sie zwischen ihnen hin und her reflektiert wird.
Wenn nun aber diese Raumabmessung der größten Abmessung des Raumes entspricht, dann erfolgt der Druckausgleich im Raum schneller, als wie der Druckerzeuger einen weiteren Druckunterschied erzeugen kann. Somit passt sich der Luftdruck im Raum immer konstant an und es gibt auch keine Schallwellen mehr bei dieser Frequenz.
Dieser Effekt wird Druckkammereffekt genannt. Unter idealen Bedingungen hätte dieser Effekt zur Folge, dass unterhalb der 1. Raummode im Raum der Schalldruck mit 12dB/Oktave nach unten ansteigt. Nehmen wir als Beispiel einen Raum mit maximal 4m Wandabstand. Die erste Raummode liegt ca. bei 43Hz. Unterhalb von 43Hz würde nun unter idealen Bedingungen der Druckkammereffekt eintreten. Wenn man nun also noch einen Subwoofer hätte, der linear bis 20Hz im Freifeld spielt, dann würde nun folgendes passieren: bei ca. 21Hz würde der Bass 12dB lauter sein, da ja 21Hz eine Oktave niedriger ist wie 43Hz.
Nun muss aber keiner Angst haben, dass bei ihm durch den Druckkammereffekt der Bass zu laut werden könnte, denn die wenigstens Räume sind als ideal anzusehen, denn sobald eine Tür/Fenster usw. drin ist, kann der Druckkammereffekt wenig oder gar nicht wirksam werden.
Wenn einem hingegen bekannt ist, dass der Druckkammereffekt funktioniert, könnte man dementsprechend die Lautsprecher/Subwoofer so auslegen, dass sie ab Beginn des Druckkammereffektes einen Lautstärkeabfall von 12db/Oktave haben. Wenn dieser Abfall konstant und die Bedingungen ideal wäre, wären theoretisch lineare 1Hz realisierbar. praktisch aber gibt es so einen idealen Raum nicht.



Die zweite Raummode:



Bei dieser Raummode hat man in der Mitte zwischen den Wänden ein Druckmaxima, dafür aber bei 1/4 Abstand zu den Wänden hat man dann das Schnellmaximum, bzw. Druckminimum.

Die zweite Raummode wird folgendermaßen berechnet:

Frequenz = Schallgeschwindigkeit / Raumabmessung

also ähnlich wie die erste, nur ohne die Verdoppelung der Raumabmessung.





Kommen wir zum entscheidenden Teil:

Die akustisch sinnvollsten Möglichkeiten der Subwooferplatzierung:


WICHTIG: ALLE NACHFOLGENDEN BETRACHTUNGEN GELTEN AUSSCHLIEßLICH FÜR EINEN QUADERFÖRMIGEN RAUM, BZW ZU TEILEN AUCH FÜR RÄUME MIT DACHSCHRÄGEN, AUF KEINEN FALL ABER FÜR RÄUME MIT NICHT ZUEINANDER PARALLELN WÄNDEN.

DIE perfekte Position für einen Subwoofer gibt es leider nicht, denn hier spielen sehr viele Faktoren rein, u.a. der Hörplatz und die Beschaffenheit des Raumes. uvm.

Grundsätzlich gilt:
wenn ein Subwoofer direkt an eine Wand gestellt wird, dann prägen sich die Raummoden maximal aus, d.h. die Intensität der stehenden Wellen wäre maximal. Das liegt daran, weil der Subwoofer nun durch die Rückwand eine saubere Schallwelle in eine Richtung des Raumes ausstrahlt und diese Schallwelle dann allein zwischen den Wänden hin und her pendelt und dabei für die Ausprägung der Raummoden sorgt.

Schiebt man nun den Subwoofer weiter in den Raum hinein, dann werden die nach hinten abgestrahlten Wellen nicht sofort wieder reflektiert um sich dann zu den nach vorn abgestrahlten hinzuzufügen, sondern sie kommen zeitversetzt hinterher. Dadurch entstehen die stehenden Wellen an beiden Wänden zu unterschiedlichen Zeitpunkten und gleichen sich damit gegenzeitig etwas aus.
Dieser Effekt tritt ideal in dem Schnellemaximum einer Raummode auf. Würde man nun also z.B. den Subwoofer in die Mitte vom Raum stellen, dann würden sich die Anteile bei der ersten Raummode gegenseitig aufheben und die erste Raummode sollte im Idealfall nicht mehr hörbar sein .
Problem ist nun aber, das in der Mitte vom Raum von der 2. Raummode ein Druckmaximum ist. Dadurch, dass bei der 2. Raummode nämlich eine komplette Welle in den Raum passt, erreichen sich nach der Reflektion zwei gleichartige Wellenberge, wohingegen bei der ersten Raummode ein Wellental auf den vom Subwoofer neu erzeugten Wellenberg trifft und damit die stehende Welle nicht entstehen kann.

Damit nun also bei der zweiten Raummode der Subwoofer diese nicht anregen kann, muss dieser hier also nun ebenfalls wieder im Schnellmaximum stehen, welches nun bei 1/4 Wandabstand ist. An dieser Position kann nun die 2. Raummode nicht mehr entstehen, dafür aber wird nun wieder die 1. Raummode zum Teil angeregt.
Da nun aber die 2. Raummode fast immer im relevanteren Frequenzbereich liegt, orientiert man sich daher bei der Aufstellung vorrangig auf die 2. Raummode.

Somit können wir schlussfolgern, dass man einen Subwoofer zur Vermeidung der wichtigsten Raummoden an einer der folgenden Stellen im Raum aufstellt:



die Linien haben alle 1/4 der jeweiligen Raumabmessung Abstand zu den Wänden. Bei einem 4*4m Raum wäre es dementsprechend am einfachsten, der Subwoofer würde 1m von den Wänden entfernt stehen.
Wenn der Subwoofer so steht, sollten 2 Raummoden relativ gering angeregt werden, in dem Fall wären es die Quer- und Längsmode vom Raum.
Da die Decke und der Boden meist ebenfalls parallel zueinander sind, gibt es hier die gleichen Effekte, aber in den meisten Fällen ist Verhältnis von Raumhöhe und Kopfhöhe so günstig, das man dem keine weitere Beachtung schenken muss. Sollte es dennoch Probleme geben, gelten alle Gesetzmäßigkeiten natürlich auch für die vertikale Richtung.


Da auf diese Weise aber dennoch die Raummoden (vor allem die erste, aber auch die dritte zum Teil) angeregt werden, kann man mit einem Subwoofer niemals eine richtig saubere Wiedergabe erreichen.
Aus diesem Grund gibt es die Möglichkeit, mehrere Subwoofer zu verwenden:


Aufstellung mehrerer Subwoofer:

Wenn man durch Probleme mit Raummoden mehrere Subwoofer verwenden möchte, muss man folgendes beachten:
 - es müssen IDENTISCHE Subwoofer sein, da verschiedene Modelle teilweise gravierende Unterschiede im Frequenzgang, aber vor allem auch in der Phasenlage haben, d.h. die Frequenzen werden nicht zum exakt gleichen Zeitpunkt abgestrahlt, sondern können teilweise später oder früher rauskommen.
 - Die Subwooferanzahl ist immer ein Vielfaches von 2 (2,4,8,16), eine andere Anzahl wäre (eingeschränkt) nur mit einem SBA/DBA realisierbar, auf das ich gleich eingehen werde.




normale Subwoofer (d.h. keine Dipol Subs) haben eine kugelförmige Abstrahlung. D.h. man kann den Subwoofer als Punkt ansehen und der Tieftonschall wird gleichmäßig in jede Richtung des Raumes abgestrahlt. D.h. es ist erstmal völlig belanglos, wie rum der Subwoofer dasteht.
Da er nun aber auch kugelförmig abstrahlt, kann man nicht beeinflussen, dass alle Raummoden im Raum angeregt werden, da man den Schall nicht von bestimmten Wänden weglenken könnte. Dies kann man nun aber mithilfe von mehreren Subwoofern erreichen. Denn sobald man auf einer Raumseite mehrere Subwoofer aufstellt, werden diese in einem bestimmten Frequenzbereich kohärent arbeiten, was bedeutet, das nicht zwei getrennte Schallwellen entstehen, sondern es entsteht eine große Welle, welche im Bereich zwischen den Subwoofern die Kriterien einer ebenen Welle erfüllt. ebene Wellen haben in einem Raum den entscheidenden Vorteil, dass wenn sie selbst so breit wie der Raum sind, keine Querverlaufenden Reflektionen mehr erzeugen, sie verlaufen parallel zu den Seitenwänden, wodurch man zwischen diesen Wänden keine stehenden Wellen mehr hat, und zwar bei allen relevanten Raummoden zwischen diesen Wänden.
So sieht eine ebene Welle von oben aus betrachtet aus:



In diesem Bild stehen die Subwoofer aber wieder direkt an der Vorderwand vom Raum, wodurch die längsverlaufenden Raummoden maximal angeregt werden. Des Weiteren ist die ebene Welle nur in einer Dimension vorhanden, wenn man von der Seite draufschauen würde, würde es wie vorher aussehen: in der vertikalen hat man immer noch eine Schallabstrahlung in alle Richtungen, wodurch auch die vertikale Raummode noch voll angeregt wird.


Das SBA (Single Bass Array)

Damit nun also auch in der vertikalen eine ebene Welle entstehen kann, muss man nun das ganze so erweitern, dass man an der Vorderseite vom Raum insgesamt 4 Subwoofer anbringt. Von vorn betrachtet sieht es dann exakt so aus, wie auf der Skizze mit den 4 grünen Punkten: alle 4 Subwoofer haben 1/4 der jeweiligen Raumdimension Abstand zu den Seitenwänden. Dies hat aber einen anderen Grund: Die 4 Subwoofer arbeiten zusammen wie ein großer Subwoofer, unterhalb einer bestimmten Frequenz (Abstand der Subwoofer = Lambda/2 ), da die Seitenwände aber im Idealfall schallhart sind, wird der Schall von den Wänden so zurückreflektiert, als würde hinter der Wand noch ein weiterer Subwoofer arbeiten. D.h. für die Subwoofer sind die Seitenwänden wie Spiegel. Dies hab ich in der Skizze durch einen orange-farbenen Subwoofer hinter der Wand gekennzeichnet.


D.h. die Abstände der Subwoofer untereinander errechnet man bei einem SBA folgendermaßen (n ist die Anzahl der verwendeten Subwoofer)

Abstand_SubSub = Raumabmessung / n

Und der Abstand zu den Seitenwänden

Abstand_Seite = Raumabmessung / (n*2)


Wenn man nun also auf diese Art und Weite 4 oder mehr Subwoofer (Die Anzahl MUSS so gewählt werden, dass es in 2 Richtungen symmetrisch ist, also 4 (2*2), oder 6 (2*3), oder 8 (2*4), oder 12 (3*4) usw.) als Single Bass Array an der Vorderwand montiert, hat man bis zu der Frequenz Abstand_Subs = Lambda/2 eine ebene Welle, wodurch vertikale und querverlaufende Raummoden in diesem Frequenzbereich entstehen können.
Dadurch hat man nur noch in eine Richtung die Raummode. Da man das SBA aber theoretisch auch mit 1/4 Abstand zur Vorderwand aufstellen kann (praktisch schon wohl kompliziert durchzuführen), würde man den Bassbereich fast ideal haben, aber es geht noch viel mehr:


Das DBA (Double Bass Array)

wenn es schon ein einfaches Bass Array gibt, müsste es ja auch ein doppeltes geben. Richtig.

Wie funktioniert das aber genau:
man hat vorn im Raum ein SBA wie oben beschrieben und an der Rückwand noch mal genau das gleiche. Das vordere SBA erzeugt die Schallwellen, welche als ebene Welle durch den Raum schreiten. Normalweise würde diese nun an der Rückwand reflektiert werden und damit eine stehende Welle erzeugen. Bei einem DBA wird aber an der Rückwand genau zu dem Zeitpunkt, wo die Schallwelle hinten eintrifft, eine in der Phase gedrehte, identische Schallwelle erzeugt. Phase gedreht heißt, dass das Signal an sich genau das Gleiche ist, nur das Wellenberg und Wellental umgedreht wurden. Dadurch überlagern sich beide Signale, und da sie genau entgegengesetzt sind, löschen sie sich im Idealfall komplett aus, wodurch keine Schallwelle mehr zurückkommt und womit keine stehende Welle entstehen kann.
Der hintere Teil von einem DBA ist also rein zur Schallvernichtung zuständig und trägt nichts zur Lautstärke oder so bei.
Nur benötigt man dafür eine Elektronik, die das hintere SBA einzeln ansteuern kann, und zwar zeitverzögert und mit einer Phaseninvertierung.


BEI EINEM DBA IST ES ZWINGED VORRAUSSETZUNG, DAS DER RAUM QUADERFÖRMIG IST.
Des Weiteren müssten die beiden SBAs DIREKT einmal an der Vorderwand und einmal an der Rückwand vom Raum stehen. Hier zählt: je geringer der Abstand der Subs zu den Wänden, desto besser.
Außerdem MÜSSEN das hintere und das vordere SBA absolut IDENTISCH sein, was in Betracht auf die Aufgabe auch logisch sein sollte, denn um das Signal des vorderen SBAs auszulöschen, muss das hintere SBA ein identisches Signal erzeugen, damit es seine Funktion auch richtig erfüllen kann.


Natürlich kann man ein DBA auch nur mit 4 Subwoofern aufbauen, welche dann entweder am Boden stehen, oder in der Mitte der Vorderwand hängen, nur ist hier dann halt zu beachten, dass halt die vertikalen Raummoden nicht beeinflusst werden und auch funktioniert die Auslöschung so gut wie überhaupt nicht, denn wenn man so ein 2*2 DBA von der Seite betrachtet, dann treffen da 2 Kugelwellen zusammen und überlagern sich zwar, nur sehr unvollständig und ungleichmäßig.
Daher sind für ein richtig funktionierendes DBA mindestens 8 Subwoofer notwendig.





Multisubwooferanordnungen
Wenn ein SBA oder DBA nicht realisierbar ist, oder der Raum nicht die Form dazu hat, dann kann man auch mit mehreren Subwoofern dennoch ein gutes Ergebnis erreichen.
Bei einer Multisubanordnung ist vor allem die Variante mit 4 Subwoofern die am besten geeignete. Diese 4 Subwoofer stellt man entweder wie recht weit oben in der ersten Skizze zur Aufstellung der Subs mit den 4 grünen Punkte, genau auf diese Stellen, also immer 1/4 Abstand zur Wand auf. Dadurch regt jeder Subwoofer für sich zwar die Raummoden an, aber da die stehenden Wellen zu unterschiedlichen Zeiten ausgeprägt werden, heben sich die Effekt fast komplett auf. Man kann das ganze auch als liegendes SBA ansehen, nur da die Wirkfrequenz meist sehr tief  liegt durch die Raumabmessungen, funktioniert es selten wie ein SBA.

Weitere Möglichkeit für 4 Subwoofer wäre die Platzierung in dem Mittelpunkten aller 4 Wände.





Ausnahmen bei der Subwooferaufstellung


Es gibt Subwoofer, die von ihrer Lautstärke her so dimensioniert sind, dass sie nur mit dem zusätzlichen "Roomgain" durch die Raummoden ihren Pegel erreichen können.
Denn wenn man selbst an der Wand sitzt (idealen Hörplatz werd ich gleich noch darauf eingehen), erzielt man mit einem in der Ecke stehenden Subwoofer bis zu 9dB mehr Lautstärke (jedes Druckmaximum einer Raummode ist 3dB lauter als das Originalsignal, wenn sich mehrere Raummoden überlagern, können bis zu 9dB mehr Pegel herauskommen). Dies ist aber nur bedingt zu empfehlen. Beim Kauf des Subwoofers sollte man als möglichst darauf achten, das er nicht für eine Ecke konzipiert wurde, was häufig allein schon durch die Größe erkennbar ist.



Des Weiteren gibt es auch noch Dipolsubwoofer. Diese Subwoofer besitzen ein sehr kleines Gehäuse, mit dafür großer Membran, welche durch seitliche Schlitze hinten und vorne offen liegt. D.h. so ein Subwoofer ist eigentlich fast ein akustischer Kurzschluss, da es kein Gehäuse gibt, dass die Membran luftdicht einschließt. Aber ein Dipolsubwoofer hat den Vorteil, dass er nicht Kugelförmig abstrahlt, sondern in Form einer Doppelkeule. Denn er strahl in beide Richtungen zueinander gegenphasige Schallwellen ab, welche sich im Bereich neben dem Subwoofer sofort gegenseitig aufheben. Das was übrig bleibt, verteilt sich zwar im Raum, aber sobald es das erste mal reflektiert wurde, trifft der Schall wieder auf die gegenphasige Schallwelle von der anderen Wand, wodurch sie sich wieder aufheben. Dadurch können die Raummoden gar nicht erst angeregt werden.
Nachteil dieser Konstruktion ist aber, dass der erreichbare Pegel deutlich geringer ist wie bei herkömmlichen Subwoofern und man kann den Subwoofer nicht einfach irgendwo hinstellen, sondern man muss aufpassen, dass mindestens eine Öffnung in die eigene Richtung zeigt und das er nicht zu nah an einer Wand steht. Idealerweise steht so ein Dipolsub nicht weiter als 1-2m vom Hörer entfernt.





Auswahl des Hörplatzes

Wenn man nun für seine Verhältnisse eine Möglichkeit gefunden hat, einen oder mehrere Subwoofer aufzustellen, dann ist es immer noch entscheidend, wo man sich hinsetzt.
In den meisten Haushalten ist der Hörplatz in der Regel an der Rückwand. Genau hier aber hat man natürlich von allen stehenden Wellen die Druckmaximums. D.h. vor allem im Bassbereich wird man eine deutliche Überbetonung haben (welche meist als positiv empfunden wird).
Ein Nachteil im Bassbereich ist nun aber, dass Tieftonschallwellen lange brauchen, eh sie abgeklungen sind. D.h. gerade im Druckmaximum wird es lange dauern, bis ein Ton leiser wird, wenn kurz darauf ein gleichartiger Ton nachkommt, überlagert er sich noch mit dem alten, was dann zum Dröhnen führt.
Wenn man durch eine geschickte Aufstellung die Raummoden größtenteils minimiert hat, sollte das Dröhnen an der Rückwand weniger werden, aber dennoch ist dieser Platz zur hochwertigen Basswiedergabe nicht optimal.

Problem ist nun, dass man in der Mitte vom Raum ein Schalldruckminimum von der ersten Raummode hat, wenn man sich also hier hinsetzen möchte, müssen schon 2-4 Subwoofer im Einsatz sein, damit man überhaupt noch was hört.
Auch bei 1/4 Raumlänge von der hinteren Wand aus hat man wieder ein Minimum. Aus diesem Grunde hat sich eine Sitzposition mit 1/3 oder 1/5 Wandabstand von der Rückwand als gut erwiesen. Hier klingt der Bass zwar nicht mehr so phänomenal wie an der Rückwand, dafür aber hat man deutlich weniger Probleme mit Dröhnen usw.

Es ist zwar auch weit die Meinung vertreten, dass man sich an die Rückwand setzen kann, und mithilfe eines Equalizers den Frequenzgang einfach so anpasst, das alles wieder glatt ist, nur dadurch gehen dann die Töne verloren, die nur ganz kurz angespielt werden oder so. Denn wenn ein Ton nur so kurz dauert, dass es gar nicht erst zu einer stehenden Welle kommen kann, dann ist er dennoch durch den EQ leiser gemacht und dadurch u.U. nicht mehr hörbar.

Des Weiteren kann man direkt an einer Wand nur schwer ein Surroundsystem realisieren, weshalb man diese Position also meiden sollte.







Ich hoffe ich konnte euch in diesem Thread eine grobe Übersicht über die Probleme + Lösung in der Basswiedergabe geben. Auch hier gibt es keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Falls ihr Verbesserungen oder Anregungen usw. habt, dann nehme ich die gerne entgegen und versuch diese auch hier einzuarbeiten, soweit mir das Möglich ist.