Wie Akustikexperten optimalen Sound im Fahrzeug reproduzieren? Ein Blick hinter die Kulissen

14. März 2016:

 

Eine geräuschoptimierte Fahratmosphäre und wohlklingende Musik können erheblich dazu beitragen, das Erlebnis Autofahren sehr viel angenehmer zu gestalten. Der Weg zu einem herausragenden Klangerlebnis offenbart zunächst immense Hürden, die die Entwickler und Ingenieure überwinden müssen.

 

Guter Klang basiert auf Forschung und Entwicklung

Wer heute den Klang eines Konzertsaals im Auto erleben möchte, ist auf eine maßgeschneiderte Soundanlage angewiesen. Musik soll so wiedergegeben werden, wie sie ursprünglich aufgenom­men wurde: Klar, kraftvoll und voller Emotionen. Um diesem Anspruch gerecht werden zu können, ist eine frühzeitige Integration der Akustikexperten während der Entwicklungsphase notwendig.

 

Was versteht man unter Klang?

In der physikalischen Akustik und in der Musik werden unterschiedliche Definitionen für Klang verwendet. Was in der Akustik als Klang bezeichnet wird, entspricht ungefähr dem musikalischen Begriff Ton. In der technischen Akustik wird Klang als ein periodischer Schalldruckverlauf mit der Periodendauer „T“ bezeichnet, dessen einzelne Frequenzen (Harmonische) in einem ganzzahligen Verhältnis zur Grundfrequenz „f(1)“ stehen. Es gilt: T = 1 / f (1)Die Phasenlage der einzelnen Töne zueinander ist beliebig.“ (Dieter Maute). Nur in dem Fall, dass die Frequenzen dieser Teiltöne in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen, sich die Töne also „harmonisch“ zueinander verhalten, spricht die Physik von einem „Klang“, andern­falls von einem Tongemisch. (Auszug Wikipedia)

 

Was macht guten Klang aus?

Um einen optimalen Musikgenuss im Auto erleben zu können, muss das Soundsystem den Fahr- zeuginsassen die Musik möglichst natürlich wiedergeben. Natürlich heißt für die Akustikexperten von Konzept-X, den Charakter der Musik zu erhalten – Balance in Tonalität, Wiedergabe von Räumlichkeit und Dynamik. Die Intention des Künstlers soll durch die Reproduktion über das Soundsystem in ihrem Kern unverändert bleiben.

 

Balance in Tonalität

Um ein Musikstück tonal ausgewogen wiedergeben zu können, ist darauf zu achten, Unregelmäßigkeiten und Resonanzen (= akustische Eigenmoden) im Frequenzgang auszubalancieren. Eine falsche Tonalität wird von den meisten Hörern, wenn auch nur unbewusst, empfunden. Musik klingt schrill, sobald eine Soundanlage die Höhen überbetont. Das System wirkt dumpf, bleiben die Höhen unterbetont. Ist der Bass auf ein Minimum reduziert, fehlt ein wesentliches Element des Musikstücks. Rückt der Bass zu sehr in den Vordergrund, werden andere Frequenzbereiche unterdrückt. Eine ausgewogene Balance der Tonalität fehlt. Das Musikstück wird nicht als natürlich empfunden. Assoziationen, beispielsweise zu einem Live- Erlebnis, werden getrübt. Hingegen bleiben bei einem tonal ausgewogenen Soundsystem selbst Details, wie das Anreißen von Saiten, das Anspielen von Tasten erhalten.

 

Räumlichkeit dank binauraler Wiedergabetechnik

Eine Live-Aufnahme eines Konzertes sollte das Geschehen auf der Bühne widerspiegeln. Bei der Wiedergabe muss folglich das Bühnenbild sowohl in der Breite als auch in der Tiefe erhalten bleiben. Den Sänger findet man meist in der Mitte vorne, daneben der Bassist, Gitarrist, Saxophonist, das Schlagzeug eher hinten. Es entsteht das Konzert-Erlebnis. Wird die Räumlichkeit nicht natürlich wiedergegeben, verliert das Stück an Charakter. Selbst bei Aufnahmen im Tonstudio spielen Musiker mit gewissen Effekten. Mittels binauraler Wiedergabetechnik gelingt es den Akustikexperten, die Räumlichkeit ähnlich der originalen Aufnahme wahrnehmbar zu machen.

 

Auswahl geeigneter Lautsprecher für eine originalgetreue Dynamik

Unter der Dynamik wird in der Musik das Verhältnis zwischen lauten und leisen Passagen eines Musikstückes bezeichnet. Eine hohe Dynamik stellt ein Soundsystem vor große Herausforderungen, da sowohl die sehr lauten als auch die sehr leisen Abschnitte verzerrungsfrei wiedergegeben werden müssen. Die Anzahl und Auswahl von geeigneten Lautsprechern spielt hier eine wichtige Rolle.

 

Herausforderungen der Entwickler und Akustikingenieure bei der Integration von Sound-systemen in Fahrzeugen

Ein Fahrzeug liefert eine der schwierigsten Umgebungen, um natürlichen Klang zu produzieren. Während bei der Heim-Soundanlage zwei Lautsprecher ausreichen können, um Klang eindrucksvoll zu reproduzieren, müssen im Fahrzeuginnenraum deutlich mehr Lautsprecher eingesetzt werden. Im Vergleich: Die Lautsprecherboxen der Heim-Soundanlage sind nach verschiedenen Frequenzbereichen aufgebaut (Höhen, Mitten, Tiefen). In Fahrzeugen ist der Bauraum knapp, so dass mehrere einzelne Mitteltöner, Tieftöner und Hochtöner im vorhandenen Bauraum sinnvoll in Szene gesetzt werden.

 

Abstand und Ausrichtung der Lautsprecher

Im Fahrzeuginnenraum sind die Lautsprecher asymmetrisch zu den Sitzplätzen angeordnet. Handelt es sich um einen Kleinwagen, einen Mittelklasse-, Kompakt- oder auch Premiumfahrzeug werden unterschiedlich viele Lautsprecher integriert. Bei einem Kleinwagen werden meist 4 – 6 Lautsprecher, bei einem Premiumfahrzeug können 10 – 16 Lautsprecher verbaut werden.
Bei der Positionierung der Lautsprecher müssen der vorhandene Bauraum und akustische Gesichtspunkte berücksichtigt werden. Für jedes Fahrzeugmodell, sei es Limousine, SUV, Coupé etc. existieren gewisse Leitlinien zur optimalen Lautsprecherpositionierung, die zunächst als Ausgangsbasis dienen. In Analyseverfahren wird anschließend die optimale Position austariert. Denn das individuelle Fahrzeugdesign oder auch Materialeigenschaften erfordern individuelle Positionierungen für einen natürlichen Sound.

Im Folgenden finden Sie ein Beispiel für eine Limousine:

Bedeutung von Schallgeschwindigkeit und Wellenlänge 

Das menschliche Ohr ist für Frequenzen von maximal etwa 20 Hertz bis 20.000 Hertz empfindlich (im höheren Alter kann die Obergrenze deutlich unter 10.000 Hz fallen). Das entspricht einem Wellenlängenbereich von ca. 17 m bis 1,7 cm bei einer Schallausbreitungsgeschwindigkeit in trockener Luft von c = 343,2 m/s (= 1.235,5 km/h).Die Schallgeschwindigkeit ändert sich deutlich mit der Temperatur, etwas mit der Luftfeuchtigkeit, aber nicht mit unserem Luftdruck.Wellenlängen von verschiedenen Audiofrequenzen im Hörbereich:

Schallfrequenz 

20 Hz

100 Hz

1 kHz

10 kHz

20 kHz

Wellenlänge mit 343 m/s (20° C) 

17 m

3,4 m

34 cm

3,4 cm

1,7 cm

Die Wellenlänge beeinflusst, wie Klang durch Lautsprecher abgestrahlt und wie der Klang von den Hörern wahrgenommen wird. Um die verschiedenen Frequenzbereiche abdecken zu kön­nen, müssen in einem Soundsystem die verschiedenen Lautsprechertypen exakt ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden – Tieftöner, Mitteltöner, Hochtöner.

Die Wahrnehmung der Lautstärke korreliert mit dem physischen Schallpegel (dB). Neben der Analyse der einzelnen Frequenzen (Bässe, Mitten, Höhen) sind Dauer (transient, kurze oder lange Noten), abrupte oder sanfte Starts und Stopps und die Bandbreite (wieviel vom Frequenz­bereich wird abgedeckt?) der Lautstärke des Soundsystems zu analysieren.

Zudem müssen Störgeräusche, primär durch die Fahrzeugbewegung hervorgerufen, beachtet werden. Die Geräuschkulisse auf der Autobahn ist komplett unterschiedlich im Vergleich zur Geräuschkulisse auf einem Parkplatz. Daher wird beispielsweise die Lautstärke des Bass im Vergleich zu den hohen Frequenzen erhöht. Denn: Die Maskierung des Bass durch Störgeräusche kann eine dramatische Auswirkung auf die gesamte Wahrnehmung haben. Das erklärt, warum die Interaktionen der Lautsprecher der niedrigen Frequenzbereiche eine so dominante Rolle spielen.
Der Basslautsprecher gibt der Musik das Fundament. Um tiefe Frequenzen zu erzeugen, muss viel Luft bewegt werden. Da der Bauraum im Fahrzeug knapp bemessen ist, ist der Bass oft schwierig zu integrieren.

Anpassung der Laufzeitunterschiede

Die Passagiere sitzen dicht an einem Lautsprecher und verhältnismäßig weit weg und in einem anderen Winkel zu anderen Lautsprechern. Die Folge ist, dass das Klangbild unterschiedlich wahrgenommen wird. Selbst bei optimaler Positionierung der Lautsprecher. Das Klangbild wird verfälscht. Die Aufgabe der Ingenieure und Entwickler besteht darin, für jeden Lautsprecher einen idealen Frequenzgang zu finden. Das bedeutet, dass die einzelnen Lautsprecher so beeinflusst werden müssen, dass sich deren akustische Energie im Fahrzeug an den relevanten Stellen optimal addiert und nicht subtrahiert. Jeder Sitzplatz muss dabei einer eigenen Analyse unterzogen und Störungen beseitigt werden.

 

Ausgleich von Reflexionseigenschaften aufgrund von unterschiedlichen Materialien

Ein Mix an unterschiedlichsten Materialien in der Fahrzeugkabine, sei es Textilien, Leder, Metall, Glas, Vinyl etc. und deren akustisches Verhalten müssen akustisch analysiert, Störungen entzerrt bzw. ausgelöscht werden. Die Oberflächen reflektieren Schall auf ganz unterschiedliche Weise. Glas reflektiert beispielsweise Schall stark. Der Dachhimmel und Verkleidungen hingegen absorbieren Schall aufgrund ihrer dämpfenden Struktur. Ein Fahrzeug gleichen Modells, aber anderer Ausstattung, z. B. Leder- oder Stoff-Sitzbezüge, erhält daher bestenfalls eine andere Sound-Abstimmung.

Kriterien, die den Klang im Fahrzeuginnenraum beeinflussen:

Die exakte Positionierung der Lautsprecher, Anpassung von Lautzeitunterschieden, Ausgleich von Reflexionseigenschaften und Hintergrundgeräuschen bereiten den Weg zum originalgetreuen Klang. Sie sorgen für die gewünschte Tonalität, Räumlichkeit und Rhythmus.

 

Mvoid® – die intelligente Lösung für eine optimale Integration

Die durch Konzept-X (Mvoid) entwickelte Mvoid® –Simulationstechnik ermöglicht es, alle zuvor genannten Schritte in einer vollständig, virtuellen Produktentwick­lungsumgebung abzubilden, basierend auf den CAD-Daten des Fahrzeugs. Das Soundsystem ist am Computer hörbar.

Wurden früher in langwierigen Analysen und Messungen die akustischen Einflüsse manuell durch die Akustikexperten entzerrt bzw. ausgelöscht, können heute mittels moderner Simulationsmethoden belastbare Ergebnisse erzielt werden.

Fahrzeugprofil, Ausstattung und Materialeigenschaften eines Fahrzeuges ändern sich gewöhnlich im Laufe der Entwicklungszeit. Das virtuelle Modell erlaubt eine rasche Anpassung an unterschiedliche Systemarchitekturen und Systeminhalte sowie Analysen der Lautsprecherpositionen während des gesamten Entwicklungszyklus und ermöglicht somit eine kontinuierliche Evaluation und Verbesserung. Das Simulationsmodell kann von der Konzeptentwicklung für die nächste Generation von Fahrzeugen bis zum SOP verwendet werden.