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Antonio Stradivari benötigte für seine legendären Geigen, Bratschen und Celli nicht wesentlich mehr als ein Pfund Holz, vier Saiten und ein bisschen Lack. Dennoch gelten die rund 1000 Instrumente, die in seiner Werkstatt im norditalienischen Cremona gebaut wurden, bis heute als unübertroffen.

Was ist das Klanggeheimnis? Warum klingt eine Stradivari lebendiger, voluminöser, brillanter als alle anderen Geigen? Weltweit versuchen Wissenschaftler seit Jahren dieses Geheimnis zu lüften. Immer wieder kursieren Theorien, besonders zum Material: Das Holz gibt jeder Violine einen Fingerabdruck, heißt es. In Mikro-Computertomografen des Musikwissenschaftlers Rudolf Hopfner von der Universität Wien wurden die Violinen scheibchenweise durchleuchtet. Dennoch konnte die „Stradivari-Formel“ der 2.600 Seiten starken Studie nicht entlockt werden, schreibt Die Welt, Ressort Wissenschaft. Der Klang der Stradivari überwältigt die Zuhörer nach wie vor in den großen Konzertsälen unserer Zeit.

Weltweit wetteifern namhafte Konzerthäuser darum, zu den besten Konzertsälen zu zählen. Eine Ansage beim Bau der Elbphilharmonie in Hamburg, Deutschland, lautete: „die Klangqualität des Großen Saals solle ihn zu einem der zehn besten Säle der Welt machen“. Ein ambitioniertes Ziel. Das Akustikkonzept der Säle stammt von dem japanischen Akustiker Yasuhisa Toyota, der bereits die Konzepte von mehr als fünfzig anderen Konzerthäusern und Konzerthallen erstellt hat. In Hamburg will er sein größtes Meisterwerk schaffen, schreibt das Hamburger Abendblatt. Die Eröffnungskonzerte finden im Januar 2017 statt. In den nächsten Monaten, vielleicht auch Jahren, wird sich abzeichnen, ob Yasuhisa Toyota sein Meisterwerk geglückt ist.

Was unterscheidet einen guten Konzertsaal akustisch von einem der besten Konzertsäle? Was macht ihn zur Stradivari aus Beton und Holz? Die Akustikexperten haben sicher berechnet, wo sich wie die Schallwellen verteilen und wie frühe und späte, direkte und seitliche Reflexionen verlaufen sollen. Doch die Konzertsaal-Akustik kompliziert sich durch die Frage der Saal-Form, klassisch rechteckig geformt, bei dem das Orchester vorne auf der Bühne platziert ist oder in einem Saal, in dem das Orchester vom Publikum umgeben ist. Wegen der Größe und ihrer Proportionen sind nicht alle Säle gleich gut für jedes Repertoire geeignet.  Säle, die explizit für die Veranstaltung von Konzerten gebaut wurden, haben einen anderen Charakter als Allround-Häuser.

Wie steht es um die Akustik in Fahrzeugen? Was macht Fahrzeuge zur Stradivari aus Stahl, Aluminium, Kunststoff und Magnesium?
Die Akustik im Fahrzeug ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Akustikexperten sind mit einer äußerst komplexen Architektur auf engstem Raum konfrontiert. Durch physikalische/mathematische Parameter und Erkenntnisse der Psychoakustik kommt MVOID klanglichen Kollateralschaden auf die Spur.

Entscheidend für ein herausragendes Klangerlebnis sind die geeignete Position und die optimale Integration der Lautsprecher in die Fahrzeugkabine. Selbst ein Premium-Lautsprecher kann an der falschen Position oder, indem er ungeeignet verbaut wurde, keinen sauberen Klang reproduzieren. Die teuer erkaufte Klang-Güte versagt. Wie lassen sich Fehlerquellen frühzeitig erkennen?

Was unterscheidet eine gute von einer herausragenden Fahrzeugakustik?
MVOID analysiert zunächst mit Hilfe von modernen, multiphysikalischen Simulationsanwendungen die einzelnen Lautsprecher innerhalb der Fahrzeugkabine. Bis in die hinterste Ecke im Innenraum wird die Verteilung des Schalldrucks sowie entstehende Reflexionen, verursacht durch mitschwingende Verkleidungselemente, Fenster und Sitzbezüge, über mathematische/physikalische Parameter ermittelt. Für jeden einzelnen Lautsprecher wird die geeignete Position gefunden. Die bestmöglichen Komponenten werden ausgewählt (Ebene 1 – 3 der MVOID-Methodik). Das Zusammenwirken des Gesamtsystems, die Interaktion der einzelnen Lautsprecher kann über die Simulationsanwendungen nur sehr mühsam und extrem zeitaufwendig betrachtet werden.

Warum ist dies wichtig? Das menschliche Gehör nimmt alle Lautsprecher im Verbund in einem Fahrzeug wahr. Die Analysen der einzelnen Lautsprecher und deren Frequenzverhalten alleine sind nicht ausreichend. Die Aufgabe ist, einen herausragenden Klang im Gesamtsystem zu reproduzieren. Eine frühzeitige Betrachtung des Gesamtsystems kann  erhebliche Kosten und Zeit einsparen. MVOID’s virtuelles Tuning und Auralisation (Ebene 4 und 5 der MVOID-Methodik) widmen sich diesen Aufgabenstellungen.  

MVOID’s virtuelles Tuning und Auralisation (= MVOID® VRtool) eruieren die Interaktionen der Lautsprecher untereinander. Das Soundsystem ist in der virtuellen Realität hörbar (= Auralisation).

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Die Betrachtung des Gesamtsystems ist notwendig, um zu prüfen:

  • Wo verteilen sich wie welche Schallwellen im Gesamtsystem?

In der komplexen Architektur der Fahrzeugkabine können sich Bereiche bilden, an denen sich die Schallwellen gegenseitig neutralisieren. Es können sich konstruktive (Addition) oder destruktive (Auslöschung) Einflüsse ergeben. Die einzelnen Lautsprecher müssen so beeinflusst werden, dass sich deren akustische Energie im Fahrzeug an den relevanten Stellen optimal addiert und nicht subtrahiert.

  • Welche Laufzeit- und Pegelunterschiede existieren von den Lautsprechern zum Hörer?

Passagiere sitzen dicht an einem Lautsprecher und verhältnismäßig weit weg und in einem anderen Winkel zu anderen Lautsprechern. Der Lautsprecher in der Fahrertür erreicht den Fahrer wesentlich früher als der Lautsprecher, der in der Beifahrertür integriert ist. Der Schall trifft nicht gleichzeitig im Ohr ein. Zudem sind sie unterschiedlich laut. Diese Differenzen des Schalldruckpegels müssen ausgeglichen werden.

  • Existieren trotz aller Vermeidungsbemühungen Akustiklöcher?

Im Fahrzeug können sich Unregelmäßigkeiten und Resonanzen (= akustische Eigenmoden) im Frequenzgang ergeben, die für das menschliche Gehör zu laut oder zu leise wirken. Frequenzgänge, die deutliche Absenkungen aufweisen, können ein Indikator sein, dass bestimmte Frequenzen – ein wesentlicher Bestandteil der Musik – fehlen.

Mit Hilfe von MVOID® VRtool lassen sich vielfältige Szenarien durchspielen. Kann beispielsweise das Performance-Ziel unter Verwendung eines Subwoofers, der bis 50 Hz hoch spielt, und Woofern in den vorderen Türen, die erst ab 70 Hz gut klingen, erreicht werden? Ein herausforderndes Unterfangen, würde man aus Erfahrung meinen. MVOID prognostiziert sicher, ob im Fahrzeug kostenintensive Änderungen an der Hardware, also Änderungen an Lautsprechern und deren Integration notwendig, oder mittels Tuning, also mit sehr geringen Kosten, ein Klang reproduziert werden kann, der herausragend gut ist.

Die Akustikexperten analysieren mit MVOID® VRtool die Interaktion aller Lautsprecher und stimmen das Gesamtsystem virtuell ab (= virtuelles Tuning basierend auf virtuellen Messungen aus Ebenen 1 – 3 der MVOID-Methodik). Für ein einwandfreies Klangerlebnis unterziehen sie jeden Sitzplatz einer eigenen Analyse und beseitigen Störungen. Für jeden Lautsprecher wird der ideale Frequenzgang eingestellt.

Ein zusätzlicher, bedeutender Bonus-Punkt: Mittels binauraler Wiedergabetechnik (Auralisation) werden die Ergebnisse über Kopfhörer erlebbar, hörbar. Es besteht zudem die Möglichkeit, die räumliche Wiedergabe – die Bühnendarstellung – des Soundsystems zu bewerten und zu optimieren. Beispielsweise prüfen die Akustikexperten, mit welcher Lautsprecher-Position die beste Bühnendarstellung transportiert werden kann oder welchen Einfluss der Center-Tweeter ausübt etc. Solche Fragen können nur im finalen Hörtest beantwortet werden. In den Tests nutzen die Akustikexperten Tonsignale und beliebige Songs. Wird die Räumlichkeit nicht natürlich wiedergegeben, verliert das Musikstück an Charakter. Assoziationen, beispielsweise mit einem Live-Erlebnis, werden getrübt. Das Klangbild wird verfälscht. Das finale Klangbild gründet sich folglich nicht alleine auf Zahlen, Daten, Auswertungen und Graphiken. Erkenntnisse der Psychoakustik sind involviert.

Indem die Ergebnisse in die virtuelle Realität transportiert werden – erlebbar, hörbar sind – sind die Akustikexperten und Entscheidungsträger in der Lage, sicher und einfach Entscheidungen für die weitere Entwicklung des Soundsystems zu treffen. Argumente werden nicht nur durch graphische Auswertungen sondern auch dadurch, dass die Soundsysteme hörbar sind, untermauert.

Im Folgenden demonstrieren wir zwei Beispiele, um den Nutzen von MVOID® VRtool aufzuzeigen:

Beispiel 1 

In Beispiel 1 wird die rechte und linke vordere Interaktion der Türwoofer betrachtet. Diese Analyse ist sogar für Monosignalinhalte, wie dem Bass, notwendig. Die Darstellung veranschaulicht die unterschiedlichen Schalldruckpegel beider Signale, den linken (rot) und den rechten (weiß) Lautsprecher an einer Sitzposition. MVOID® VRtool identifiziert den Frequenzverlauf der beiden Kanäle und ihre Überlagerung, also die Summation beider Schallereignisse (orange dick). Das Beispiel zeigt  an den markierten Stellen eine schlechte Überlagerung der beiden Lautsprecher und damit ein schlechtes Hörerlebnis. Mittels geeignetem Tuning kann diese Interaktion deutlich verbessert werden.

Beispiel 2: 

Beispiel 2 zeigt die Betrachtung eines kompletten Systems an einer bestimmten Sitzposition. Die Analyse kann beispielsweise auf Integrationsproblematiken der einzelnen Lautsprecher hinweisen. Ist dies der Fall, könnte die Bandbreite eines Kanals deutlich reduziert abgebildet sein. Das MVOID® VRtool analysiert, ob das Gesamtsystem dennoch die gewünschte Performance erfüllen kann.  Abbildung 2 veranschaulicht eine ausgewogene akustische Energieverteilung über alle Frequenzen durch ein passendes virtuelles Tuning. Es ergibt sich ein  harmonisches Klangbild.

Aus den vorgenannten Beschreibungen wird deutlich, dass nicht alleine die Betrachtung der einzelnen Lautsprecher und deren Frequenzverhalten ausreichen. Die Vorteile einer Analyse des Gesamtsystems liegen auf der Hand:

  1. Frühzeitige virtuelle Analyse und Optimierung der akustischen Einflüsse auf Systemebene, um spätere kostenintensive Modifikationen zu vermeiden
  2. Frühzeitige Analyse, ob Probleme durch Software (Tuning) lösbar sind;
    Können Resonanzen minimiert, Laufzeitunterschiede angepasst und Akustiklöcher eliminiert werden?
  3. Frühzeitige Analyse, ob konstruktive Änderungen notwendig sind;
    Reproduzieren die ausgewählten Komponenten an den definierten Positionen in der gewählten Integration einen einwandfreien Klang oder muss schlimmstenfalls Hardware, das heißt Lautsprecher oder deren Integration, geändert werden.

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Virtuelle Entwicklung der automobilen Soundsysteme erreicht nächste Entwicklungsstufe
Indem die Interaktionen aller Lautsprecher virtuell untereinander analysiert, optimiert und hörbar  – in  die virtuelle Realität transportiert – werden können, hat die virtuelle Entwicklung der automobilen Soundsysteme die nächste Entwicklungsstufe erreicht, meint das MVOID-Team.

Die Experten und Entscheidungsträger der Automobilhersteller haben nun die Möglichkeit, die Fahrzeug-Soundsysteme in der Vorentwicklung von den ersten Ideen bis zum Endergebnis in der virtuellen Welt zu analysieren. Kaum ein Aspekt bleibt einer Analyse des späteren realen Soundsystems überlassen. Akustikexperten und Entscheidungsträger können sicher bewerten, ob das Soundsystem das gewünschte harmonische Klangbild reproduziert – eine Stradivari aus Stahl, Aluminium, Kunststoff und Magnesium.

Bild- und Quellennachweis:
Foto Dr. A. Svobodnik: MVOID Technologies GmbH; Graphiken: MVOID Technologies GmbH;
„Antonio Stradivari“ Vol.1-8 , Jost Thöne Verlag Stradivari – www.jost-thoene-verlag.de
welt.de/wissenschaft/article156561881/16.06.16; Abendblatt.de/hamburg/article207968035/30.07.16