29. Raummoden-Berechnung

Auf den Begriff "Raummode” stieß ich zum ersten Mal, als ein Freund bei uns vorbeischaute, um unsere neu erworbenen elektrostatischen Martin Logan SL-3-Lautsprecher mit mir zu anzuhören. Jens, der einige Jahre mit dem Komponieren von Musik und dem Sammeln von analogen Modulen für die Klangerzeugung verbracht hatte, war nicht sofort von der großen Klangfläche der Martin Logans angetan und wies stattdessen auf den leichten Mangel an Bassdruck dieser großen Lautsprechern hin. Er vermutete, dass dieses Phänomen auf Raummoden zurückzuführen sei und dass die korrekte Ausrichtung der Lautsprecher und des Hörplatzes das Problem beheben könnten. Da ich jedoch noch nicht verstand, wovon er sprach, glaubte ich eher, dass die Lautsprecher selbst die Schuld daran trugen. Ich fragte mich, ob vielleicht die Frequenzweichen manipuliert worden waren, ob neue Kondensatoren benötigt wurden, ob vielleicht der Verstärker zu schwach war oder ob die Mylar-Membran irgendwie ihre Magnetisierung verloren hatte. Als Jens später am Abend abreiste, blieb ich deshalb ziemlich niedergeschlagen zurück.

Die nächste Person, die uns besuchte, war mein audiophiler Weggefährte Luigi. Er hörte sich die Martin Logans an, war nicht besonders erfreut über den Eindruck der “vertikalen Bühne", der sich seiner Ansicht nach aus ihrer schieren Höhe ergab, und begann damit, sie mit mir gemeinsam im Raum zu bewegen. Er war der Meinung, dass ein größerer Abstand zur Vorderwand die Abbildung und die Bühnentiefe verbessern würde, und ich stimmte ihm grundsätzlich zu. Wir fanden eine Position in unserem 5,60 Meter tiefen Raum, die sehr gut funktionierte, und wir beide verließen die Sitzung in einem geistigen Zustand der Unruhe und Ungewissheit. Die Martin Logans waren wegen ihrer Dipol-Eigenschaft tatsächlich nicht so einfach aufzustellen. Ja, schon ein Zentimeter Abweichung im Wandabstand konnte die Abbildung, die Tonalität, den Rhythmus, die Phasenkohärenz und den Eindruck von Geschwindigkeit aus dem Gleichgewicht bringen. Es dauerte deshalb weitere vier Wochen, bis ich die exakte Position für unsere SL-3 bestimmt hatte, um diese final in unserem Hörraum aufzustellen. 

Die nächsten Monate verbrachte ich damit, den Verstärker aufzurüsten und die Verkabelung zu verbessern. Ich fand auch einen CD-Spieler, der analoger klang, und einen Tonabnehmer mit verbesserter Tonalität. Ich beseitigte Probleme mit der Erdung, entfernte LED Trafos aus der Nähe des Systems und konnte mit jedem Schritt Verbesserungen hören. Die Umstellung auf Solid—Core Silber-Cinch/RCA-Verbindungen bot eine deutlich bessere Dynamik, und symmetrische Netzkabel sorgten für den letzten Schliff. Das System war aufschlussreich und tonal reichhaltig geworden. Die Klangbühne war beeindruckend, wenn auch ein wenig höher, wie Luigi schon festgestellt hatte. Die Position der Lautsprecher war im Laufe vieler Monate nach Gehör gefunden worden. Ich konnte hören, dass ein Abstand von 1,12 Metern gut funktionierte, aber ich wusste nicht, warum das so war. Ich hatte nun sogar ein ungutes Gefühl, die Lautsprecher auszutauschen, um neue Tests für eiaudio durchzuführen. Luigi scherzte, dass er einige Freunde hatte, die so viel Angst davor hatten, das zu verlieren, was sie erreicht hatten, dass sie ihre Systeme für ihres Lebens einrichteten. Diese Aussicht klang jedoch in der Tat ziemlich traurig.

Ich wollte nicht diese Art von Audiophiler sein. Stattdessen zog ich es vor, meiner Mission der Erforschung treu zu bleiben, die im Titel dieses Blogs vorgeschlagen wird. Ich musste eine Lösung finden, wie ich Lautsprecher schneller und mit größerer Gewissheit aufstellen konnte, die beste Position gefunden zu haben. Als ich eines Tages vor der Werkstatt meines Lieblings-Audiotechnikers stand, hörte ich, wie er drinnen mit einem seiner Kunden sprach. Ich wollte die beiden nicht unterbrechen, doch als ich länger zuhörte, bemerkte ich, dass sein Kunde sehr nüchtern über einige grundlegende HiFi-Fragen sprach, die auch mich seit einiger Zeit beschäftigten. Ich spürte, dass wir ‘verwandte Seelen’ waren und beschloss, hineinzugehen. Wir wurden einander kurz vorgestellt und begannen damit, über Kabel, Interferenzen und Erdung zu sprechen, wobei wir uns gegenseitig vorsichtig abklopften, denn manche Leute können ziemlich stur sein und darauf bestehen, dass ihr aktueller Wissensstand auch gleichzeitig das Ende der Erkundungen aller Menschen sein sollte. Wir waren beide erleichtert, als wir feststellten, dass dies nicht der Fall zu sein schien. Am Ende unseres Gesprächs gab ich Peter Englisch meine eiaudio.de-Visitenkarte und lud ihn ein, sich an der Blog-Diskussion zu beteiligen. Er sagte, er würde ihn sich ansehen, und wir gingen getrennte Wege. 

Einige Wochen später rief ich Peter an, und er schien sich zu freuen, von mir zu hören. Wie sich herausstellte, hatte er alle meine Artikel in der Rubrik High Fidelity gelesen und war mit den Inhalten, die er fand, einigermaßen zufrieden. Er wies darauf hin, dass in einigen der Artikel meine Beschreibung zwar zutreffend war, es aber auch offensichtlich war, dass mein Verständnis des Themas es mir noch nicht erlaubte, das Problem auf den Punkt zu bringen oder die einzige Ursache für ein Problem zu herauszuarbeiten. Ich stimmte zu, dass dies höchstwahrscheinlich der Fall war, zumal ich das Thema nicht studiert hatte, sondern mich von der praktischen Anwendung zur Theorie hin und zu einer Lösung vorgearbeitet hatte. Ich war dennoch stolz auf die Fortschritte, die ich in etwas mehr als zwei Jahren gemacht hatte, und er bot mir an, mir dabei zu helfen, noch ein wenig weiter zu kommen. Peter teilte mir mit, dass er eine Reihe von Excel-Tabellen geschrieben hatte, die es ihm ermöglichten, Raumabmessungen einzugeben und daraus die bestmöglichen Lautsprecherpositionen abzuleiten. Er bot mir an, mir seine Tabellenblätter zuzuschicken, was er später am selben Tag auch prompt tat. Ich muss gestehen, dass ich einige Wochen brauchte, um den Schock zu überwinden, so viele Zahlen und Diagramme auf jeder Seite zu sehen. Doch mit der Zeit legte sich die anfängliche Panik und ich konnte mit den Blättern arbeiten.

Ich nahm unser Laser-Längenmessgerät und vermaß die inneren Dimensionen unseres Haupt-Hörraums: 5,58 Meter in der Tiefe, 4,78 Meter in der Breite und 2,78 Meter in der Höhe. An den Wänden befanden sich einige Einrichtungsgegenstände, die sich auf den Klang auswirken würden, und ich betrachtete die sich daraus ergebenden alternativen Messungen, bei denen die Möbel die Raumabmessungen auf Ohrenhöhe beeinflussen. Am auffälligsten war ein Ikea Besta-Schrank, der die linke Seitenwand an der Hörposition um 0,43 Meter verengte, was eine Restbreite des Raums von 4,35 Metern ergab. Als ich die Ergebnisse meiner Messungen in die Excel-Tabelle eingab, stellte ich fest, dass jede der drei Dimensionen (h, d, w) darin separat behandelt wurde, ohne sichtbare Auswirkungen auf die anderen. Der Excel-Tabelle war es auch egal, ob die Werte für Höhe und Breite vertauscht wurden: Die Ergebnisse sahen identisch aus, obwohl man den Fehler spätestens bemerken würde, wenn man versuchte die Lautsprecher auf diese Weise aufstellt. Ich stellte fest, dass ein größerer Wandabstand immer zu niedrigeren Resonanzfrequenzen führte, von denen es drei gab: die erste Raummode, die zweite und die dritte.

Die erste Raummode war auch die Impulsstärkste und das Ergebnis der Wechselwirkung der Schallgeschwindigkeit von etwa 340 m/s mit der freien Distanz zwischen den Wänden. Die beiden anderen waren harmonische Resonanzen, die mit der doppelten und dreifachen Frequenz der ersten Raummode auftraten. Da die Schallwellen an den Wänden des Raums ihren Höhepunkt erreichten, von wo aus sie nach hinten reflektiert wurden, verteilten sich potenzielle Nullstellen über den Raum. Bei der ersten Raummode lag der Nullpunkt bei der halben Raumtiefe (in unserem Beispiel bei 2,79 m). Ich lernte dabei, dass sich Schallwellen von elektrischen Wellen insofern unterscheiden, dass der Boden eines Hörraums die untere Hälfte der vollen Sinuswelle nach oben faltet, wodurch die erste Resonanzfrequenz bei der Hälfte der berechneten Resonanz liegt. Die daraus resultierende Berechnung für die Resonanz der Raumtiefe war: 

340m/s (Schallgeschwindigkeit) ÷  5.58m (Raumtiefe) = 60.93 Hz (Sinuswelle)

60.93 Hz (Sinuswelle) ÷ 2 = 30,47 Hz (1. Resonanz)

Die zweite Resonanz in der Raumtiefe lag bei 60,93 Hz und erzeugte drei Peaks im Raum. Neben den natürlichen Peaks an den Wänden lag der dritte Peak in der Raummitte. Die beiden sich daraus ergebenden Nullen befanden sich in der Mitte jeder Raumhälfte, als ob es eine Wand zwischen den Hälften gäbe, an der sie sich ebenfalls anhäufen könnten. Die dritte Resonanz lag bei 91,40 Hz und teilte den Raum akustisch in drei Teile. Das Diagramm sah so aus, als ob zwei Trennwände die drei Raumbereiche trennten, was zu einer Nullstelle in jeder Mitte und einer Spitze an jeder imaginären Wand führte. So entstanden drei Nullen und vier Spitzen über die gesamte Raumtiefe.

Da sich Resonanzen akkumulieren oder auslöschen konnten, waren die besten Positionen für die Aufstellung von Lautsprechern und für den Hörplatz immer diejenigen, in denen die spezifischen Raumresonanzen ein natürliches Gleichgewicht bei den relevanten Frequenzen erzeugen. In seinen Beschreibungen bezeichnete Peter diese als Vorzugspositionen. Und obwohl ihre Faktoren für normale Räume gleich blieben, änderten sich die resultierenden Wert mit den Abmessungen des jeweiligen Hörraums. Die Faktoren für die Berechnung der Vorzugspositionen waren:

Faktoren: (+3) 0.125 — (+2) 0.2 — (+1) 0.45 — (-1) 0.55 — (-2) 0.8 — (-3) 0.875

Positionen: (+3) 0.70 m — (+2) 1.12 m — (+1) 2.51 m — (-1) 3.07 m — (-2) 4.46 m — (-3) 4.88 m

Die unter jedem Faktor angegebenen Entfernungen in Metern zeigen die bevorzugten Positionen für unsere Raumtiefe von 5,58 Metern, wobei sich alle Entfernungen auf die Vorderwand beziehen. Die Faktoren mit negativen Zahlen sind eigentlich Spiegelbilder der ersten drei Faktoren und könnten mit den ersten drei Werten leichter von der Rückwand aus gemessen werden. Die Spiegelachse liegt bei 0,5, was der halben Raumtiefe entspricht. Ich konnte feststellen, dass die Raumabmessungen einen Einfluss auf die erste Resonanz und die beiden harmonischen Gegenstücke hatten, wobei größere Räume auch niedrigere Resonanzfrequenzen aufweisen. Je niedriger die Frequenz, desto einfacher würde es sein, Lautsprecher im Raum zu platzieren, ohne die für unser Ohr kritischsten Frequenzen zu stören, die in der Regel um das Spektrum der menschlichen Stimme liegen.

Die Berechnungen für unseren Hörraum im Obergeschoss ergaben weitaus niedrigere Resonanzen als für unseren Haupthörraum. Der Raum im Obergeschoss, der uns auch als Büro diente, war 15 m tief und 11 m breit. Es gab keine parallelen Wände, und auch die Deckenelemente waren unterschiedlich hoch. Die Resonanzfrequenzen in der Raumtiefe betrugen 11,3 Hz, 22,67 Hz bzw. 34 Hz. Die sich daraus ergebenden Vorzugspositionen waren:

Faktoren: (+3) 0.125 — (+2) 0.2 — (+1) 0.45 — (-1) 0.55 — (-2) 0.8 — (-3) 0.875

Positionen: (+3) 1.88 m — (+2) 3.0 m — (+1) 6.75 m — (-1) 8.25 m — (-2) 12 m — (-3) 13.13 m

Auf der Suche nach den bevorzugten Positionen für Lautsprecher in der Raumbreite würde eine spiegelbildliche Aufstellung der Lautsprecher entlang der Mittelachse des Raumes zu einer Nullstellung des Hörplatzes führen, da sich dieser in der Mitte des Raumes befände und mit den Lautsprechern ein gleichschenkliges (wenn nicht gleichseitiges) Dreieck bildete. Um diesen Effekt zu vermeiden, mussten Positionen mit unterschiedlichen Wandabständen bevorzugt werden. Für unseren kleineren, 4,78 m breiten Raum konnte dies beispielsweise eine Kombination aus Faktor 0,125 = 0,60 m und Faktor 0,2 = 0,96 m sein. Die Breitenabstände wurden von der Mittelachse jedes Lautsprechers zur Wand gemessen, während die Tiefenabstände von der Schwingspule des Tieftöners zur Vorderwand gemessen wurden.

In größeren Hörräumen würden die höchsten Resonanzen häufig durch die begrenzte Deckenhöhe des Raums erzeugt. In unserem 2,78 Meter hohen Raum lagen die Resonanzen bei 61,15 Hz, 122,30 Hz und 183,45 Hz. Bevorzugte Positionen wurden mit Faktor 0,125 = 35 cm und Faktor 0,2 = 56 cm berechnet. Die vertikalen Abstände wurden von der Mittelachse zwischen dem relevantenTieftöner und dem Boden des Raumes gemessen und mussten für beide Lautsprecher identisch sein.

Der Haupthörplatz sollte mit den Lautsprechern ein gleichschenkliges Dreieck bilden. Falls das Ergebnis zudem ein gleichseitiges Dreieck ergab, war dies sogar noch besser. Für die klanglich-tonale Ausgewogenheit war es jedoch von weitaus größerer Bedeutung, dass die Hörposition mit einer der Vorzugspositionen im Raum übereinstimmte. Als wir begannen, die Lautsprecher und uns selbst nach diesen Faktoren zu positionieren, war das erste Ergebnis bereits durchaus akzeptabel. Und aus dieser Gewissheit heraus konnten wir mit der Feinabstimmung der Lautsprecher auf die Wandmaterialien, den Teppichboden und verschiedene Möbel beginnen, indem wir sie um einige Zentimeter verschoben oder die Hörposition leicht veränderten, um unerwünschte Raumakzente zu kompensieren. Ich fand Peters Methode sehr nützlich und werde sie für alle kommenden Anpassungen in meinem Werkzeugkasten beibehalten.

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