Nachhallzeit

Ringversuch Nachhallzeit

Im Juni 2019 fand in Münsingen (BE) ein dreitägiger Ringversuch zum Thema Nachhallzeit statt, veranstaltet von Daniel Zurwerra (www.virtuallyaudio.ch) und Markus Zehner (www.zehner.ch).
17 Akustiker beurteilten mit unterschiedlichsten Methoden die akustischen Eigenschaften eines Saals. Der folgende Bericht stellt den Versuchsaufbau und die Ergebnisse vor und analysiert die aufgetretenen Messunsicherheiten.

Der Bericht ist in vier Teile gegliedert:

  • Teil 1 (diese Seite) stellt den Versuchsaufbau vor und untersucht, wie gross die Differenzen ausfallen, wenn mehrere Akustiker unabhängig voneinander die Nachhallzeit eines Saals bestimmen.
  • Teil 2 legt dar, welche Normen (ISO 3382) einzuhalten sind und wie gut diese von den Teilnehmern umgesetzt wurden.
  • Teil 3 untersucht systematisch, welche Abweichungen bedingt durch unterschiedliche Messmethoden und unterschiedliche Ausrüstung zu erwarten sind.
  • Teil 4 beinhaltet einen isolierten Test von 13 verschiedenen Mess- und Akustik-Softwares.

Zusammenfassung wichtigster Erkenntnisse

  1. Die Vielfalt an verwendetem Mess-Equipment unter den 17 Teilnehmern war sehr gross. 30% verwendeten eine Softwarelösung.
  2. Alle üblichen Messmethoden waren vertreten, wie die direkte Bestimmung der Impulsantwort mittels Impulsschallquellen, die indirekte Generierung mittels Software oder die Methode des abgeschalteten Rauschens. Dabei konnten systematische Differenzen nachgewiesen werden.
  3. Die Streuungen in den Messergebnissen sind grundsätzlich gering. Im Vergleich mit früheren Untersuchungen, liegt die Standardabweichung aber immer noch in einer ähnlichen Grössenordnung. Einige Teilnehmer wichen deutlich von anderen ab.
  4. Die Methode mit abgeschaltetem Rauschen zeigte im Vergleich mit anderen klar die grössten Streuungen.
  5. Bei der Angabe der mittleren Nachhallzeit als Einzahlwert entstanden grosse Differenzen, da die Zahl offensichtlich auf unterschiedlichste Weise ermittelt wird. Einzahlwerte sind aber ohnehin heikel und sollten vermieden werden.

Markus Zehner, Daniel Zurwerra
Abb. 1-1: Gute Laune bei den Organisatoren und Versuchsleitern des Ringversuchs: Daniel Zurwerra, Markus Zehner

Motivation

Die Nachhallzeit ist die älteste wissenschaftlich definierte Grösse in der Raumakustik. Sie ist entsprechend gut dokumentiert und erforscht und ihre Prognose, messtechnische Erhebung und Analyse gehört zum Standardrepertoires jedes Raumakustikers.

Sowohl die Erfahrungen der beiden Organisatoren des Ringversuchs als auch ein Blick in die internationale Fachliteratur [z-B. 3, 6-10] zeigen, dass die ermittelten Werte oftmals erhebliche Differenzen aufweisen, die sich aus der Verwendung unterschiedlicher technischer Ausrüstung, unterschiedlicher Messpositionen, aber auch offensichtlichen Anwenderfehlern ergeben. Noch kritischer ist freilich die Prognose der Nachhallzeit.

In der Schweiz wurde 2003 ein letzter grosser Ringversuch durchgeführt, bei der neben anderen akustischen Parametern auch die Nachhallzeit betrachtet wurde (Eggenschwiler et al. [3]). Nach über 15 Jahren schien es angezeigt, die Ergebnisse zu überprüfen und zu sehen ob die Messunsicherheiten inzwischen kleiner geworden sind - beispielsweise, weil heutzutage eine verbesserte Ausrüstung oder mehr Know-how vorhanden sind.

Einladungen

Um den Sachverhalt näher zu überprüfen, wurden Akustiker eingeladen, zwischen dem 17. und 19. Juni 2019 die Nachhallzeit in einem dafür zur Verfügung gestellten Raum zu bestimmen.

Die Einladungen erfolgten einerseits mündlich im Umfeld der Organisatoren, über den Newsletter von www.zehner.ch sowie über das Mitteilungsbulletin der Schweizerischen Gesellschaft für Akustik (SGA).

Testraum und Messkonditionen

Saal Ringversuch Nachhallzeit
Abb. 1-2: Casinosaal PZ Münsingen

Der Ringversuch wurde im Casino des Psychiatriezentrums in Münsingen (BE) durchgeführt. Es handelt sich um einen Mehrzweckraum für Theater- und Filmvorführungen, Seminare und Konzerte mit einer Kapazität von 200 Personen.

Der Saal hat eine Länge von rund 18, eine Breite von ca. 10 und eine Höhe von bis zu 9,5 Meter. Das Raumvolumen beträgt rund 1700 Kubikmeter.

Grundriss Casino
Abb. 1-3: Grundriss Casino-Saal

Saal und Bühne haben einen Parkettboden und einen Dachstuhl aus Holz. Die Wandkonstruktion ist schallhart (verputzter Backstein) und im unteren Bereich mit einer Holzverkleidung versehen. Auffallend sind die grossen, sehr dünnen und damit akustisch recht durchlässigen Glasscheiben. Vor diesen ist auf der Aussenseite ein vorgesetztes, dickeres Schutzglas angebracht, welches jedoch nicht abschliesst, sondern einen umlaufenden freien Randbereich aufweist.

Im hinteren Saalbereich befindet sich eine Empore, die jedoch vom Test ausgenommen wurde, das heisst es waren weder Schallquellen noch Mikrofone dort zu platzieren. Ebenso ausgenommen wurde der Bereich unter der Empore, da sich dort im normalen Betrieb Bar, Garderobe und Kasse befinden, aber kein Publikum.

Im realen Betrieb sitzt das Publikum in aller Regel auf ungepolsterten Stühlen. Um die Messungen zu erleichtern, wurde für den Test auf die Bestuhlung verzichtet.

Während den Messungen befanden sich in der Regel die beiden Organisatoren, der Proband (in einigen Fällen deren zwei) und gelegentlich noch ein bis zwei zusätzliche Personen im Raum.

Die Versuchsleiter notierten zu jeder Messung die atmosphärischen Bedingungen, die über die drei Tage hinweg recht konstant zwischen 22 und 25 Grad Celsius und 46% und 54% relativer Luftfeuchte lagen.

Aufgrund der bereits erwähnten dünnen Scheiben stellte sich die Schalldämmung des Gebäudes breitbandig als recht niedrig heraus. Da sich der Saal aber in einer ruhigen, verkehrsfreien Umgebung mit grosszügigen Parkanalagen befindet, traten in der Regel keine nennenswerten Störungen auf und wenn diese doch in Einzelfällen vorkamen, wurden sie von den Akustikern korrekt erkannt und abgewartet.

Teilnehmer

Folgende Teilnehmer haben am Ringversuch mitgemacht und Ergebnisse eingereicht (alphabetische Reihenfolge):

  • ASPA-TEC GmbH, Albrecht Aspacher, Klingnau
  • AudioSonic Akustik und Medientechnik GmbH, Hanno Ziesche, Goldberg, Deutschland
  • B+S AG, Benjamin Stoll, Bern
  • byschenk, Urs Schenk, Homberg
  • dBAkustik GmbH, Stefan Stangl, Pfäffikon SZ
  • Fabian Hirter Engineering, Fabian Hirter, Bern
  • Gartenmann Engineering AG, Mario Stoll, Bern
  • Gernot Ebenlechner e.U., Gernot Ebenlechner, Brunn am Gebirge, Österreich
  • MBJ Bauphysik + Akustik AG, Bernhard Schuppisser, Kirchberg
  • NTi Audio AG, Berno Nigsch, Schaan, Lichtenstein
  • SINUS AG, Buzz Aebischer, Sempach Station
  • Sonotronex AG, Stefan Rüegsegger, Zuzwil
  • Tomtechnik, Thomas Scheichl, Ried-Mörel
  • Virtually Audio GmbH, Daniel Zurwerra, Erlinsbach
  • Walters-Storyk Design Group, Robi Hersberger, Thomas Wenger, Basel
  • Wichser Akustik & Bauphysik AG, Sophie Crognier, Zürich
  • www.zehner.ch, Markus Zehner, Münster VS

Die Abbildungen 1-4 und 1-5 zeigen die Berufserfahrung der Teilnehmer (bezogen auf die Thematik Nachhallzeitmessungen), sowie die Anzahl solcher Messungen, die pro Jahr durchgeführt werden (Anzahl Projekte). Die Zusammenstellungen zeigen, dass in erster Linie erfahrene bis sehr erfahrene Berufsleute am Ringversuch teilnahmen. Vier Teilnehmer sind diplomierte Akustiker SGA.

Teilnehmer Ringversuch Nachhallzeit
Abb. 1-4: Berufserfahrung Teilnehmer

Teilnehmer Ringversuch Nachhallzeit
Abb. 1-5: Mess-Erfahrung Teilnehmer

Methoden und Ausrüstung

Die folgenden Aufstellungen geben einen Überblick über die verwendeten Messausrüstungen und Methoden. Die Listen sind alphabetisch nach Herstellername sortiert.

Methode/Anregung

  • 7x abgeschaltetes Rauschen
  • 5x Impulsquelle (2x Ballon, 3x Pistole)
  • 5x indirekte Impulsantwort/2-Kanal-FFT (3x Gleitsinus, 1x Rosa Rauschen, 1x Maximallängenfolge)

Verwendete Schallquellen

  • 2x Ballone
  • 3x Pistolen (Kaliber 6 mm und 9 mm)
  • 1x Blue Sky Sat5
  • 1x Brüel & Kjaer Omnipower 4224 (Dodekaeder)
  • 1x Brüel & Kjaer 4295 (Omnisource)
  • 2x Infra-QSource Qohm (Dodekaeder)
  • 1x Norsonic Nor276 (Dodekaeder)
  • 2x NTi D3 (Dodekaeder), 1x inkl. Subwoofer
  • 2x Eigenbau-Dodekaeder inkl. Subwoofer
  • 1x Eigenbau-Lautsprecher 2-Wege koaxial
  • 1x Eigenbau-Lautsprecher mit vier Hoch-/Mitteltontreibern plus Eigenbau-Subwoofer

Messmikrofone

  • 1x AcoustX D2
  • 2x Beyerdynamic MM1
  • 1x Brüel & Kjaer 2260
  • 2x Earthworks M30/M30BX
  • 1x iSemCon EMX-7150
  • 1x Microtech Gefell MK250
  • 4x Norsonic 1225
  • 3x NTi M2230
  • 1x PCB 387B02 (Array aus 8 Mikrofone)
  • 1x ?

Messgeräte Datenerfassung

  • 1x AcoustX D2
  • 1x AFMG EASERA
  • 2x AFMG Systune
  • 1x ARTA
  • 1x Brüel & Kjaer 2260
  • 4x Norsonic Nor 140
  • 1x Norsonic Nor 118
  • 3x NTi XL2
  • 1x Room EQ Wizard
  • 1x Sonotronex Sonotracer
  • 1x ?

Datenauswertung/Post-Prozessing

  • 1x AcoustX D2
  • 1x AFMG EASERA
  • 2x AFMG SysTune
  • 2x ARTA
  • 6x Norsonic Hardware/NorReview/NorBuild/Nor...
  • 3x NTi XL2 Hardware/Reporting Tool/Room Acoustics Reporter
  • 1x Room EQ Wizard
  • 1x Sonotronex Sonotracer

Messung Dodekaeder
Abb. 1-6: Messung mit Handgerät, abgesetztem Mikrofon auf Stativ und Dodekaeder ergänzt mit Subwoofer

Aufgabenstellung und Beobachtungen hierzu

Der Hauptteil des Ringversuchs war darauf ausgelegt, zu sehen, wie gross die Unterschiede ausfallen können, wenn mehrere Akustiker vor ein- und dieselbe Aufgabe gestellt werden. Diese lautete schlicht und einfach:

"Bestimmen Sie sachgerecht die Nachhallzeit des Saals".

Es handelt sich um eine gängige Praxis-Situation, in der ein Kunde dem Akustiker einen Auftrag erteilt. Entsprechend diesem Szenario wurden auch keine weiteren Hinweise zu den Messungen gegeben und die Teilnehmer waren bezüglich angewandter Methoden, Vorgehen und Messposition frei. Sie sollten die Messungen einfach so durchführen, wie sie das üblicherweise in derartigen Räumen handhaben.

Die Teilnehmer hatten ein Zeitfenster von 60 Minuten zur Verfügung, um die Hauptaufgabe und zwei kleinere Zusatzaufgaben zu lösen. Alle Teilnehmer konnten die Aufgabe mühelos erfüllen. Einige erledigten die Arbeit in einem Bruchteil der zur Verfügung gestellten Zeit. Besonders die Akustiker, die eine Pistole verwendeten, hatten den Vorteil, dass nicht noch eine elektroakustische Schallquelle aufgebaut und verkabelt werden musste, sie konnten stattdessen sogleich loslegen. Allerdings zeigte sich auch ein Nachteil dieser Messmethode: die Schüsse waren nämlich auch ausserhalb des Gebäudes gut zu hören und führten - trotz vorgängiger Ankündigung - bei Anwohnern und Passanten zu erheblichen Irritationen und Aufregung, die schliesslich den Sicherheitsdienst auf den Plan riefen und mehrtägige Diskussionen zur Folge hatten.

Aus interessierter Laiensicht liest sich das dann in einem Facebook-Beitrag folgendermassen:

Casino Saal Facebook
Abb. 1-7: Facebook-Eintrag PZM

Messung Pistole
Abb. 1-8: Messung mit Schreckschuss-Pistole

Dass die Akustiker die Aufgaben im vorgegebenen Zeitfenster erledigen konnten, hatte auch damit zu tun, dass ausnahmslos alle sehr zielstrebig und gut vorbereitet an die Sache herangingen und im Umgang mit der technischen Ausrüstung hinreichend geübt waren.

Sehr erstaunt waren die Versuchsleiter hingegen, dass ihnen (die sozusagen die Auftraggeber spielten) so gut wie keine Fragen gestellt wurden, die im Zusammenhang mit den Messungen womöglich wichtig gewesen wären. Nur ein einziger Teilnehmer machte sich etwa Gedanken über den üblichen Betriebszustand des Raums, ob es allenfalls sinnvoll wäre eine zweite Mess-Serie mit geschlossenem Bühnenvorhang zu machen und ob es weitere Raumvariablen gibt, welche die Akustik beeinflussen könnten. Nur zwei fragten nach, wie und wozu der Saal denn genutzt würde, ob das Publikum sitzt oder steht und ob die übliche Position von Schallquellen auf der Bühne ist oder ob es noch andere Nutzungsarten gibt. Entweder verhielten sich die Organisatoren so mürrisch und abweisend, dass sich kaum jemand zu fragen wagte, oder die Akustiker hatten hellseherische Fähigkeiten oder gingen einfach von einer gängigen Variante aus. Im Endeffekt wurden die Messungen von allen Teilnehmern in einem identischen Raumzustand vorgenommen.

Quellen- und Empfängerpositionen

Die ISO-Reihe 3382 enthält Vorgaben über die Platzierung von Schallquellen und Messmikrofonen. Wie diese von den Teilnehmern umgesetzt wurden, ist Gegenstand von Teil 2 dieses Berichts. Abbildung 1-9 gibt hier nur einen ersten Überblick über alle verwendeten Schallquellen- (blau) und Mikrofon-/Empfänger-Positionen (rot):

Messpositionen 3D
Abb. 1-9: Standorte der durch die 17 Teilnehmer verwendeten Schallquellen-Positionen (blau) und die Mikrofon-/Empfänger-Positionen (rot)

Deutlich zu sehen ist beispielsweise, dass nur ganz wenige Positionen auf der Bühne berücksichtigt wurden. Ebenso ist ersichtlich, dass einige Extrempositionen auftreten (z.B. nahe an Wänden oder Raumecken), sowohl was Sender als auch Empfänger betreffen.

Ergebnisse

Wie in der Praxis meistens üblich und in Übereinstimmung mit ISO 3382 [1], hatten die Teilnehmer ein über alle ihre Messpositionen arithmetisch gemitteltes Ergebnis für einen auf 60 dB extrapolierten Pegelabfall von -5 bis -25 dBr (T20) und von -5 bis -35 dBr (T30) abzuliefern. Die Ergebnisse waren in Form von Oktavbandwerten und über einen Frequenzbereich von 63 Hz bis 8 kHz gefragt.

Gesamtergebnisse T20

Abbildung 1-10 zeigt zunächst die Ergebnisse aller Teilnehmer für die Auswertung der Nachhallzeit T20 in Oktavbändern. Die vertikale Achse schneidet bei 0,7 Sekunden, um die Unterschiede deutlicher darzustellen. Hier, wie auch im Folgenden, wurde zwecks Kennzeichnung jedem Teilnehmer eine anonymisierte dreistellige Nummer zugeordnet. Dieser Nummer vorangestellt ist die Art der Messmethode bzw. der Anregungsquelle: Als erstes erscheinen die Teilnehmer, welche mit indirekter Methode arbeiteten, also die Impulsantwort mittels einer 2-Kanal-FFT oder über ein MLS-Verfahren ermittelten (a-IR). Es folgen dann die Impulsquellen Pistole (b-PIS) und Ballone (c-BAL) und zum Schluss die Methode mittels abgeschalteten Rauschens (d-PN; für Pink Noise).

Ergebnisse T20
Abb. 1-10: Ergebnisse T20, absolut in Sekunden

Allgemein kann man zunächst sehen, dass die grundsätzlichen Kurvenverläufe erwartungsgemäss weitgehend ähnlich sind. Viele Kurven scheinen sehr nahe beisammen zu liegen. Es sind aber auch deutliche Ausreisser in einzelnen Oktavbändern ersichtlich, sowie einzelne Teilnehmer, die generell recht weit daneben liegen.

Besonders gross ist die Streuung der Ergebnisse im 63-Hz-Band. Grössenteils dürfte dies dem Umstand geschuldet sein, dass der Signal-Rauschabstand hier am kleinsten ist, weil gleichzeitig die grössten Störeinflüsse durch Umgebungslärm auftreten und zusätzlich alle Schallquellen einen (teilweise erheblich) geringeren Pegel produzieren, besonders wenn bei elektroakustischen Quellen kein zusätzlicher Subwoofer verwendet wird. Grundsätzlich darf man erwarten, dass ein Akustiker diese Unzulänglichkeiten (er)kennt und offensichtlich fehlerhafte Messdaten entweder löscht oder nötigenfalls anhand der Abklingkurven manuell auswertet. Bei der Durchführung mehrerer Messungen ist es nahezu schon der Regelfall, dass einige oder viele Ergebnisse im Bassbereich offensichtlich nicht plausibel sind und deshalb vor der Mittelwertbildung aus dem Datenpool entfernt werden sollten. Einige Messgeräte geben auch Hinweise auf solche Fehler, indem sie gar nicht erst ein Ergebnis anzeigen oder warnen, etwa wenn der Signal-Rauschabstand zu niedrig ausfällt oder wenn sich Auffälligkeiten in der Regression des Abklingvorgangs ergeben, wie z.B. zu niedrige Determinationskoeffizienten. Anhand der verfügbaren Rohdaten zeigte sich, dass einige Teilnehmer einzelne Datenpunkte löschten, während andere selbst absurde und eindeutig fehlerhafte Daten bei der Mittelwertbildung berücksichtigten. Zusammenfassend: Es ist in der Praxis üblich, dass bei mehreren Messungen im Raum die Ergebnisse in den unteren Oktaven stärker streuen. Die massiven Ausreisser, die teilweise ersichtlich sind, dürften aber nicht vorkommen.

Auch im 125- und 250-Hz-Band ist noch eine deutliche Streuung der Ergebnisse ersichtlich, allerdings ohne ganz so grobe Ausreisser. Mit steigender Frequenz liegen die Resultate dann deutlich näher beisammen, während die Streuung in der 4- und besonders der 8-kHz-Oktave aber wieder zunimmt, was sich vermutlich wie folgt erklärt: Grundsätzlich verlieren alle Schallquellen zu höheren Frequenzen hin die erwünschte omnidirektionale Abstrahlcharakteristik. Ein typischer Dodekaeder beispielsweise strahlt nur bis ca. 2 kHz näherungsweise kugelförmig ab und bildet darüber hinaus aufgrund der Treiberanordnung und der räumlichen Distanz der akustischen Zentren zunehmend ausgeprägte Keulen, als Ursache von destruktiven und konstruktiven Interferenzen. Auch Pistolen zeigen (wenn auch aufgrund anderer physikalischer Gesetzmässigkeiten) eine Richtwirkung im Hoch- und noch stärker auch im Tief-Frequenzbereich. Noch inhomogener ist die Richtcharakteristik von Ballonen, abhängig von der Einstichstelle [eigene Untersuchungen, 11, 12]. Dies hat einerseits zur Folge, dass sich generell die Richtwirkung der Quellen im Hochtonbereich signifikant unterscheidet und somit auch mehr oder weniger Reflexionen im Raum angeregt werden, was wiederum zu einer Differenz in der ermittelten Nachhallzeit führt. Besonders bei ungleichmässig abstrahlenden Quellen haben zusätzlich auch die Ausrichtung und die dazu stehenden absorbierenden/reflektierenden Flächen des Raums einen Einfluss auf das Ergebnis.

Die beschriebenen frequenzabhängigen Streuungen finden sich auch in einer statistischen Analyse wieder, welche in Abbildung 1-11 in Form einer Kastengrafik (Boxplot) dargestellt wird:

  • Der farbige Kasten markiert das zweite und dritte Quartil der Ergebnisse: 50% aller Daten liegen innerhalb dieses Bereichs, 25% darunter, 25% darüber.
  • Die horizontale Linie innerhalb des Kastens stellt den Median dar: 50% der Daten liegen unter, 50% über diesem Wert. Befindet sich der Median genau in der Mitte des Kastens, liegt innerhalb des 2. und 3. Quartils eine statistische Normalverteilung vor; eine allfällig vorhandene, offensichtliche "Schlagseite" ist also leicht erkennbar.
  • Die oberen und unteren "Antennen", die sogenannten "Whisker" zeigen Daten an, die im 1. bzw. 4. Quartil, also ausserhalb des Kastens liegen. Die Länge dieser Antennen ist allerdings auf das maximal 1,5-fache des Interquartislabstands (Kastengrösse) begrenzt. Die Whisker reichen ausserdem maximal bis zu einem tatsächlich vorhandenen Messwert innerhalb dieses Bereichs; deshalb sind die oberen und unteren Whisker meistens auch unterschiedlich lang und kürzer als das 1,5-fache des Kastens.
  • Ausreisser ausserhalb der Bereiche der Whisker sind durch kleine Kreise gekennzeichnet. Sie befinden sich prinzipiell mehr als das 1,5-fache ausserhalb des Interquartilsabstandes; denn andernfalls wären sie durch die Whisker "abgefangen" worden. Besonders wenn die Whisker selbst kurz sind und die Ausreisser weit von diesen entfernt liegen, kann mit fast hundertprozentiger Sicherheit von fehlerhaften Daten ausgegangen werden.

Ergebnisse T20 Kastengrafik
Abb. 1-11: Kastengrafik T20

Gesamtergebnisse T30

Es folgen nun die Ergebnisse der einzelnen Teilnehmer und die dazugehörende Kastengrafik für die T30-Nachhallzeit. Der Datensatz ist etwas reduziert, da nur 13 von 17 Teilnehmern ein Ergebnis in dieser Kategorie einreichten. Dies liegt daran, dass nicht alle Auswertungs-Algorithmen eine T30-Zeit berechnen konnten oder dass man sich bereits bei der Messung für T20 oder T30 entscheiden musste.

Ergebnisse T30
Abb. 1-12: Ergebnisse T30

Ergebnisse T30 Kastengrafik
Abb. 1-13: Kastengrafik T30

Erwartungsgemäss ist die Streuung bei den T30-Zeiten erheblich grösser: Der gegenüber T20 um 10 dB vergrösserte Auswertungsbereich, erfordert einen entsprechend grösseren Signal-Rauschabstand und setzt über einen grösseren Pegelbereich hinweg einen exponentiellen Abfall der Schallenergie voraus. In der aktuellen Version von Teil 2 (im Gegensatz zu Teil 1) findet sich neu denn auch der Hinweis, dass dem T20-Auswertungsbereich der Vorrang gegeben werden soll, da er mit weniger Unsicherheiten behaftet ist und die oben dargestellten Ergebnisse zeigen dies deutlich.

Die Kastengrafik zeigt die grössere Streuung der Ergebnisse, vor allem für das 63-, das 125-Hz- und das 8 kHz-Band. Bei 63 Hz sind ausserdem die Whisker erheblich länger und der ans obere Ende des Kastens verschobene Median deutet darauf hin, dass die Daten im 2. und 4. Quartil weit von einer Normalverteilung abweichen und deshalb als "weniger zuverlässig" angesehen werden müssen. Im 8 kHz-Band streuen zwar die Daten in den beiden mittleren Quartilen stärker, hingegen ist der untere Whisker deutlich kürzer geworden, während der obere seine Länge in etwa beibehalten hat.

Interessanterweise (oder erwartungsgemäss?) sind die Medianwerte der T20- und T30-Zeiten nahezu identisch, wie Abbildung 1-14 zeigt. Mit anderen Worten also hat sich mit Ausnahme des 63-Hz-Bandes die Streuung der Einzelergebnisse T30 zwar erheblich vergrössert; die Abweichungen verteilen sich aber statistisch gesehen gleich weit nach oben und nach unten. Dieser Hinweis ist insofern wichtig, als dass er nahelegt, dass nicht der Testraum die Ursache für die höhere Streuung ist, z.B. aufgrund nichtlinearer Abklingkurven.

Vergleich Median T20 T30
Abb. 1-14: Medianvergleich T20 vs. T30

Prozentuale Abweichungen vom Median

Nun liegt es in der Natur der Sache, dass es beim Messen einer gänzlich unbekannten Grösse, keine richtigen und falschen Antworten geben kann. Der "wahre Wert" lässt sich nicht mit letzter Sicherheit bestimmen. Hingegen kann man davon ausgehen, dass man diesem näher kommt, wenn man die Anzahl der voneinander unabhängigen Messungen und damit die statistische Wahrscheinlich vergrössert. Dies gilt besonders dann, wenn der Versuchsaufbau genügend Varianzen in den Variablen aufweist (unterschiedliche Personen, Messgeräte, Positionen etc.), was hier zweifellos der Fall ist.

Als "Referenzwert" zur Beurteilung der Daten der einzelnen Akustiker und deren Abweichung, wurde deshalb aus allen eingereichten Teilnehmer-Resultaten der Median berechnet (50% aller Ergebnisse liegen oberhalb, 50% unterhalb dieses Wertes). Er ist in den obigen Linien-Grafiken (Abb. 1-10 und 1-12) in Form der roten, gestrichelten Linie erkennbar, in den Kastengrafiken (Abb. 1-11 und 1-13) durch die horizontale Linie innerhalb des Kastens gekennzeichnet. Eine arithmetische Mittelwertbildung würde - im vorliegenden Fall - übrigens nahezu deckungsgleich ausfallen.

Bei den folgenden Auswertungen wurden nun lediglich die "Standard-Frequenzen" von 125 Hz bis 4 kHz ausgewertet. Aufgrund der Ausreisser und der grösseren Streuung in den Randbereichen 63 Hz und 8 kHz, wären andernfalls die Daten zu stark verzerrt worden. Einige Teilnehmer konnten ausserdem software-bedingt das 63-Hz-Band nicht erst auswerten, was ihnen in der Gegenüberstellung einen Vorteil verschafft hätte. Ausserdem wird in der Raumakustik die Nachhallzeit meistens ohnehin nur in diesem Frequenzbereich betrachtet (für andere Frequenzbereiche kommen gegebenenfalls alternative Methoden zum Einsatz); dies begründet sich nicht zuletzt im bereits gesehenen Umstand, dass es oft schwierig ist, valide Daten in den Grenzbereichen zu erhalten. Auch Materialdatenbanken sind deshalb in der Regel auf diesen Frequenzumfang hin beschränkt.

Abbildung 1-15 zeigt für jeden Teilnehmer die prozentuale Abweichung vom Median in Form eines gestapelten Säulendiagramms. Die Farben kennzeichnen die Prozentabweichungen in den einzelnen Oktavbändern (s. Legende in der Grafik). Die Länge der gesamten Säule gibt einen Hinweis auf die Gesamtabweichung. Anhand der Lage um den Null-Prozent-Punkt ist auch sofort ersichtlich, ob die Ergebnisse in einzelnen Oktaven oder auch als Gesamttendenz eher unter- oder überschätzt wurden.

T20 Abweichung vom Median
Abb. 1-15: T20 Abweichungen vom Median, sortiert nach Messmethode

Die Darstellung lässt eine Reihe von ausgesprochen interessanten Schlüssen zu:

  • Mit Ausnahme von Teilnehmer 352 weisen die Ergebnisse der Impulsantworten recht kleine Abweichungen auf. Dies gilt nicht nur bezogen auf die Oktavbandabweichungen pro Teilnehmer, sondern auch auf die Konsistenz der Ergebnisse der verschiedenen Teilnehmer untereinander. Auffallend ist ausserdem, dass die Gesamtabweichung sehr deutlich mit der Anzahl der unabhängigen Messungen korreliert: 091 am meisten Messungen (17), 112 und 171 am wenigsten (9). Die erhebliche Abweichung und Unterschätzung von 352 ist dem Umstand geschuldet, dass eine gerichtete Quelle verwendet wurde, welche das Schallfeld - im Vergleich zu normenkonformen omnidirektionalen Quellen - offensichtlich ungenügend angeregt hat.
  • Ebenfalls sehr gut und konsistent haben die Pistolen abgesch(l)ossen. Die Abweichungen sind sehr klein, in einem Fall (225) insgesamt gar am kleinsten von allen Teilnehmern.
  • Beide Ballonmessungen haben die Tendenz den Median zu unterschätzen. 184 erzielte ein sehr gutes Resultat. Bei 231 entstanden hingegen deutliche Abweichungen, die auf einen Anwenderfehler zurückzuführen sind: Alle Messungen wurden in unmittelbarer Nähe zum Mikrofon mit einer Distanz von nur rund einem Meter durchgeführt. Wie es die Theorie erwarten lässt, entstehen zu tiefe Werte, wegen des unzulässig hohen Direktschall-Anteils.
  • Die Kandidaten, welche mit abgeschaltetem Rauschen arbeiteten zeigten im Mittel über alle Methoden deutlich die grössten Abweichungen vom Median. Dies dürfte in der grundlegenden Methodik begründet liegen, was in Teil 3 des Berichts noch näher dargelegt wird. Zu sehen ist auch, dass einige Teilnehmer tendenziell deutlich gegen oben, andere deutlich gegen unten abweichen. Bemerkenswert ist nun, dass es eine eindeutige Korrelation gibt, zwischen dem verwendeten Messgerät und der Frage, ob die Ergebnisse des Teilnehmers positiv oder negativ vom Median abweichen. In der Folge wurden deshalb eine Reihe von zusätzlichen Datensätzen geprüft, die die Annahme erhärteten, dass die genannte Korrelation auch bei der Verwendung anderer Schallquellen und Messmethoden vorliegt. Eine ausführliche systematische Untersuchung zwecks Sicherstellung der Kausalität und nötigenfalls einer Verbesserung der Algorithmen scheint angezeigt, wobei hier in erster Linie die Hersteller in der Pflicht und Bringschuld stehen.

Es folgt eine vergleichbare Grafik für die T30-Zeiten:

T30 Abweichung vom Median
Abb. 1-16: T30 Abweichung vom Median

Wie erwartet, haben sich die Ergebnisse einiger Teilnehmer unabhängig von der Methode signifikant verschlechtert. Es gibt es aber auch einzelne, die sich verbesserten. Besonders auffällig ist 314, bei welchem sich die Gesamtabweichung gegenüber dem T20-Ergebnis auf mehr als die Hälfte reduzierte. Tatsächlich ist die Messunsicherheit bei einem 30-dB-Abfall kleiner, allerdings nur unter der Voraussetzung, dass ein genügend grosser Signal-Rauschabstand besteht und dass eine allfällige Rauschkompensation korrekt arbeitet. Dieser Sachverhalt wird in Teil 3 des Berichts noch näher erläutert.

Bezug zum subjektiven Eindruck

Frühere Ringversuche zogen zur Beurteilung der prozentualen Abweichungen oft die in der Literatur vielfach zitierte, subjektiv gerade noch wahrnehmbare Änderung (Just Noticeable Difference, JND, Unterschiedsschwelle) von 5% bei, die auf Seraphim 1958 zurückgeht [4]. Tatsächlich ist die von Seraphim ermittelte JND aber hochgradig frequenzabhängig, was meist übersehen wird und deshalb unberücksichtigt bleibt. Zudem gelangen mehrere neuere Studien zu deutlich anderen Ergebnissen, wobei vor allem auffällt, dass die ermittelten JND (auch) abhängig vom Versuchsaufbau eine immense Bandbreite von 3% bis 40% aufweisen (z.B. in [5]).

In der ISO 3382-1 findet sich zwar die Unterschiedsschwelle des subjektiven Parameters "wahrgenommene Halligkeit". Diese ist aber mit gutem Grund an die frühe Abklingzeit (EDT) gekoppelt und nicht an die Nachhallzeit.

Die verfügbaren JND-Daten erschienen den Versuchsleitern schliesslich so fragwürdig, dass die Ergebnisse ohne diesbezügliche Interpretation belassen wurden.

Vergleich mit früheren Studien

Interessant ist nun auch, inwieweit die Ergebnisse aus diesem Ringversuch mit früheren derartigen Studien übereinstimmen. Zwecks dieser Analyse wurden die Gesamt-Standardabweichungen aus den folgenden Arbeiten beigezogen:

Kennzeichen, Verfasser, Jahr Anzahl Teilnehmer Nachhallzeit als Mittelwert 500 Hz und 1 kHz Raumvolumen
A: Zehner, Zurwerra 2019, Ergebnisse dieses Ringversuchs 17 1,41 s 1700 m^3
B: Eggenschwiler et al. 2003 [3] 20 1,71 s 1500 m^3
C: James 2004 [6] 8 0,95 s 1700 m^3
D: Bork 2000 [7] 3 2,17 s 11000 m^3
E: Lundeby et al. 1995 [8] 7 1,1 s 1800 m^3

Abb. 1-17: Tabelle Ringversuche Nachhallzeit

Zu beachten ist, dass die Versuche naturgemäss unter unterschiedlichen Bedingungen stattfanden:

  • D: Die Studie von Bork verglich nur 3 Teilnehmer, bei denen es sich aber durchgängig um renommierte Institute handelte, die explizit und streng nach ISO 3382 massen. Das Raumvolumen ist rund sechseinhalb Mal grösser als dasjenige der übrigen Untersuchungen. Die zu erwartende grössere Diffusität des Schallfelds, lässt geringere Streuungen erwarten.
  • C: Bei der Studie von James waren Quellen- und Empfänger-Positionen fix vorgegeben, womit zwei Variablen wegfielen, die in den anderen Untersuchungen die Streuungen potentiell mitbeeinflussen.
  • E: Die Arbeit von Lundeby wurde im Hinblick auf die Revision der ISO 3382 durchgeführt. Alle Messungen erfolgten mit Maximallängenfolgen (MLS) an fix vorgegebenen Positionen. Publiziert wurden lediglich 3 Oktavbandwerte, die ausserdem aus einer Grafik abgelesen werden mussten, weshalb sie nur ungefähr dargestellt sind.
  • B: Am ehesten vergleichbar sind die Ergebnisse aus diesem Ringversuch mit der Studie von Eggenschwiler, da sich Raumvolumen, Nachhallzeit und Aufgabenstellung mit freier Wahl von Methode und Messpositionen sehr ähnlich sind.

Falls möglich wurden die Resultate der Studien in Form der Standardabweichung in Sekunden und der prozentualen Standardabweichung entnommen oder aus den verfügbaren Angaben berechnet. Dies war aber nicht in allen Fällen möglich, da teilweise nur die eine oder andere Variante bestimmbar war. Einige Studien untersuchten ausserdem nur T20 oder nur T30. Die folgenden Grafiken zeigen die Auswertungen, wobei T20-Zeiten mit durchgezogenen, T30-Zeiten mit gestrichelten Linien dargestellt sind.

Vergleich Studien absolut
Abb. 1-18: Vergleich Ringversuche: Standardabweichung absoult in Sekunden

Vergleich Studien Prozent
Abb. 1-19: Vergleich Ringversuche: Standardabweichung in Prozent

Erwartungsgemäss und aus den oben bereits ausführlich dargelegten Gründen, sind die T30-Abweichungen in aller Regel grösser. Überraschenderweise trifft dies aber nicht auf alle Bänder bei B/Eggenschwiler zu: Besonders das 250-Hz-Band zeigt bei T30 eine signifikant tiefere Streuung als T20.

Die T20-Abweichung der vorliegenden Untersuchung A/Zehner/Zurwerra liegt weitgehend im Rahmen der Untersuchungen B/Eggenschwiler und C/James. Die prozentuale T30-Streuung ist hingegen grösser, als B/Eggenschwiler und liegt eher in der Nähe der einzelnen Datenpunkte von E/Lundeby.

Eine etwas überraschende und nicht erklärbare Feststellung ist, dass in den T30-Abweichungen in Abbildung 1-18 alle drei Kurven einen sehr ähnlichen Verlauf haben: Dass die Streuung zu tiefen Frequenzen hin zunimmt ist nicht weiter erstaunlich. Auffällig ist jedoch, dass die Werte im unteren Mittenbereich zunächst abnehmen, dann aber gegen 1 kHz wieder anzusteigen beginnen um anschliessend wieder abzufallen. Am ausgeprägtesten ist dieser Effekt bei D zu sehen, er findet sich in abgeschwächter Form auch bei A und B wieder. Hingegen ist der Effekt in den T20-Kurven nicht ersichtlich, sondern wirkt sich tendenziell sogar genau umgekehrt aus: bei B und C ist die Abweichung im 1 kHz-Band signifikant tiefer.

Einzahlwerte

Oft findet man in der Literatur Angaben zu Einzahlwerten und auch manche Auftraggeber möchten die Nachhallzeit in Form einer einzigen Zahl geliefert erhalten. Dies ist prinzipiell kritisch zu sehen und bestenfalls dann akzeptabel, wenn zusätzlich auch ein Toleranzband angegeben wird (beispielsweise bei der Nennung von Sollwerten für bestimmte Nutzungsarten). Die Teilnehmer des Ringversuchs wurden gebeten, auch einen Einzahlwert zu ihren Messergebnissen anzugeben, wobei sich prompt zeigte, dass die Ergebnisse in keinster Weise vergleichbar sind:

Einzahlwertt T20
Abb. 1-20: Einzahlwerte Nachhallzeit (T20)

Die augenfälligen Differenzen entstanden hauptsächlich durch unterschiedlich angewandte Mittelungsverfahren. Die einen Teilnehmer berechneten in Übereinstimmung mit ISO 3382 den arithmetischen Mittelwert der beiden Oktavbänder 500 Hz und 1 kHz, andere bildeten das Mittel aus mehreren oder allen Oktavbändern, wiederum andere mittelten alle oder mehrere Terzbänder.

Persönliche Schlussbemerkung

Die Vorbereitungen, Recherchen, Durchführungen, Auswertungen und Analysen zu diesem Ringversuch entsprechen einem Arbeitsumfang von mehreren Monaten. Die Fülle an Daten die dabei zusammengekommen ist, machte es nicht immer einfach zu entscheiden, was überhaupt ausgewertet werden soll. Auch die schliesslich ausführlich analysierten Informationen mussten für diese - ohnehin schon überlange - Artikelserie noch einmal deutlich reduziert werden. Es bleibt die Hoffnung, dass für die Leser eine insgesamt interessante Auswahl und Zusammenfassung getroffen werden konnte, die zu vielfältigen Erkenntnissen und Anregungen führt und womöglich gar der akustischen Gemeinschaft als Ganzes zu einer qualitativen Steigerung ihrer Arbeit verhilft.

Danksagung

Die Autoren danken herzlich allen Teilnehmern für ihren Einsatz, dem Psychiatriezentrum Münsingen für die Gastfreundschaft, der Schweizerischen Gesellschaft für Akustik SGA für die Unterstützung bei den Einladungen, Jürgen Schafberger von der Technischen Hochschule Amberg-Weiden für den zusätzlichen fachlichen Input und Kurt Eggenschwiler, Senior Scientis an der Abteilung Akustik und Lärmbekämpfung der Empa für den Peer-Review der Artikelserie.

Referenzen

  • [1] DIN EN ISO 3382-1:2009-10, Akustik - Messung von Parametern der Raumakustik - Teil 1: Aufführungsräume
  • [2] DIN EN ISO 3382-2:2008-09, Akustik - Messung von Parametern der Raumakustik - Teil 2: Nachhallzeit in gewöhnlichen Räumen
  • [3] Eggenschwiler et al., Intercomparison measurements of room acoustical parameters and measures for speech intelligibility in a room with a sound system, Journal of Audio Eng. Soc. 2004-03-03
  • [4] Seraphim, Untersuchungen über die Unterschiedsschwelle exponentiellen Abklingens von Rauschbandimpulsen, Acta Acustica Vol. 8 (1958), 280-284.
  • [5] Blevins et al., Quantifying the just noticeable difference of reverberation time with band-limited noise centered around 1000 Hz using a transformed up-down adaptive method, International Symposium on Room Acoustics, Toronto, Canada, 2013
  • [6] James, Workshop on Room Acoustic Measurements - Analysis of comperative measurements, NPL 9558/2, 2004
  • [7] Bork, A Comparison of Room Simulation Software - The 2nd Round Robin on Room Acoustical Computer Simulation, Acta Acustica Vol. 6 (2000) 943-956
  • [8] Lundeby et al., Uncertainties of Measurements in Room Acoustics, Acta Acoustica Vol. 81, 1995
  • [9] Vorländer et al., Comparison of Methods for Measuring Reverberation Time, Acta Acoustica 1994
  • [10] Liston, A critical assessment of sound stimuli for reverberation time measurement in acoustic performance spaces, Acoustics Bulletin 2015
  • [11] Greisinger, Beyond MLS - Occupied Hall Measurement with FFT Techniques, AES Convention Los Angeles 1996
  • [12] Pätynen et al., Investigations on the balloon as an impulse source. Journal of the Acoustical Society of America 129, 2011

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