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Im Rahmen des Ringversuchs ist eine sehr grosse Menge an Daten zusammengekommen. Neben den bereits veröffentlichten Gesamtergebnissen ermöglichten diese weitere, detaillierte Analysen. In diesem Artikel wird untersucht, wie unterschiedliche Messmethoden, Messpositionen und Messgeräte, die Messunsicherheit beeinflussen.
Der Bericht ist in vier Teile gegliedert:
Abb. 3-1: Protokollierung Messung
Abb. 3-2: Akustiker mit Handgerät und Startklappe als Impulsquelle
Bei den im ersten Teil des Berichts vorgestellten Ergebnissen, waren die Teilnehmer in der Wahl der Messmethoden und der Messpositionen frei. Als zusätzliche Aufgabe waren nun auch Messungen mit einer fest vorgegebenen Sender- und Empfängerposition vorzunehmen, um den Einflussfaktor der Messpositionen auszublenden, sowie einige weitere Untersuchungen zu ermöglichen. Die Quellen wurden dabei auf der Vorbühne auf einer Höhe von 1,5 Meter (akustisches Zentrum) positioniert (Abbildung 3-3 rot eingezeichnet), die Empfänger 1,2 Meter über dem Boden im Saal in rund 8 Meter Distanz (grün).
Abb. 3-3: Referenzpositionen Quelle (rot) und Empfänger (grün)
Dieser Testaufbau wurde von mehreren Teilnehmern genutzt, um zusätzliche Methoden oder unterschiedliche Ausrüstungen einzubringen. Entsprechend kommen mehr Varianten vor, als im ersten Testteil:
Die 3 unter "diverse" zusammengafassten direkten Impulsmessungen sind: Eine Starterklappe (sk), In-die-Hände-Klatschen (k) sowie ein Datensatz, bei dem der Teilnehmer ein dickes, zusammengeklebtes Papierbündel (pb) mit voller Wucht auf den Boden warf und den so entstandenen Impuls aufzeichnete. Letztere Methode war den beiden Versuchsleitern bislang gänzlich unbekannt.
Mit diesem Testaufbau, sowie den Daten von Teil 1 dieses Berichtes war es möglich, folgende Faktoren, welche das Messergebnis beeinflussen, systematisch zu untersuchen:
Die nachfolgenden Abschnitte beschreiben die Zusammenhänge und die aus den Daten gewonnenen Erkenntnisse. Die Anzahl Sterne (*) in den Überschriften sind jeweils eine Vorschau auf den potentiellen Einfluss des Kriteriums auf das Messergebnis:
Zur Bestimmung der Nachhallzeit werden in der ISO 3382 drei Methoden empfohlen, welche alle im Ringversuch vorkamen und folgend verglichen werden.
Eine einzelne Messung mit abgeschaltetem Rauschen ist grundsätzlich weder gut reproduzierbar, noch sonderlich genau. Aufgrund der Fluktuation des Signals und dessen zufälligem Zustand zum Zeitpunkt des Abschaltens resultieren bei mehreren Messzyklen an der selben Position zwangsläufig grössere Streuungen in den Ergebnissen. Deshalb sollen bei dieser Methode an jeder Position jeweils mehrere Messzyklen aufgezeichnet und die Ergebnisse gemittelt werden.
Dieser Sachverhalt wurde von Manfred Schröder bereits in den 1960er Jahren eingehend beschrieben [1] und in der ISO 3382 berücksichtigt: Teil 1 der Norm spricht äusserst vage von einer "Reihe" von Messzyklen pro Position (folglich mindestens zwei), die zu verwenden sind, während es in ISO 3382-2 vom gewählten Verfahren abhängt:
Zusätzlich sind auch einzeln die minimale Anzahl vorgegebener Sender- und Empfänger-Positionen einzuhalten. Es ist allerdings auch ausdrücklich zulässig, die vorgegebenen Abklingvorgänge auf mehrere Messpositionen zu verteilen: Für das Präzisionsverfahren können deshalb beispielsweise statt 3 Abklingvorgänge an 12 Positionen auch 36 Positionen mit jeweils nur einem Messzyklus verwendet werden. Dies dürfte aber eher theoretischer Natur sein, da es in der Praxis zeitsparender ist, die nötigen Abklingvorgänge an einer Position zu erheben, statt diese noch auf mehrere Standorte zu verteilen. Dies wäre aber allenfalls im Hinblick auf die Erhöhung der Genauigkeit der Messung durchaus sinnvoll: wie weiter unten noch genauer erläutert wird, ist es im Zweifelsfall besser viele Messpositionen mit wenigen Abklingvorgängen zu verwenden, als wenige Messpositionen mit vielen Abklingvorgängen.
Eine weitere prinzipielle Schwäche des Verfahrens stellt der zu erzielende Signal-Rauschabstand dar, der erheblich schlechter ausfällt, als bei praktisch allen anderen Methoden und Anregungssignalen. In einem hier nicht weiter dokumentierten Versuchsteil wurde ein Störgeräusch in Form eines rosa Rauschens produziert, welches an der Messposition einen Störpegel von 60 dB(A) SPL erzeugte. Die Teilnehmer, welche mit abgeschaltetem Rauschen arbeiteten, hatten selbst bei der Verwendung von leistungsfähigen Dodekaedern und einer Ergänzung mit Subwoofern erhebliche Schwierigkeiten, valide Daten zu erzeugen - sofern dies überhaupt möglich war.
Aufgrund seiner Erkenntnisse hat Schröder eine neue Messmethode entwickelt und vorgeschlagen: Auf Magnetband aufgezeichnete Impulsantworten, direkt gewonnen mittels Pistolen und kleinen Yachtkanonen, wurden von ihm rückwärts abgespielt und durch ein Integrationsnetzwerk geschickt. Aus dem so aufgezeichneten Abklingvorgang konnte dann die Nachhallzeit sehr genau bestimmt werden.
Schröder wies mathematisch nach, dass seine Methode die gleiche Messunsicherheit aufweist, wie unendlich(!) viele Messzyklen mit der bisher bekannten Rauschmethode. Durch mehrere Messzyklen an der selben Position ist somit prinzipbedingt keine höhere Genauigkeit erzielbar, vorausgesetzt, die Quelle selbst erzeugt hinreichend reproduzierbare Anregungssignale. Ausserdem darf die Abklingkurve nicht direkt verwendet werden, sondern ist aus der rückwärtsintegrierten, quadrierten Impulsantwort und der an diese über den gewünschten Pegelbereich angelegten Regressionsgeraden zu bestimmen. Natürlich wird heutzutage kaum noch jemand mit einem Bandgerät akustische Messungen vornehmen; der Sachverhalt und die Technik lassen sich aber auch auf digital aufgezeichnete Impulsantworten anwenden.
Faktisch gehen die in der ISO 3382 enthaltenen Abschätzformeln der Messunsicherheit davon aus, dass bei Impulsantwort-Methoden mit einem einzigen Abklingvorgang die gleiche Messunsicherheit besteht, wie bei 10 Messzyklen mit abgeschaltetem Rauschen. Anders gesagt, spart man sich also rund Faktor 10 an Mess-Zeit ein.
Abb. 3-6: Akustiker mit Dodekaeder und computergestütztem Mess-System
Die Impulsantwort kann auch indirekt, ohne die Verwendung von Impulsschallquellen bestimmt werden. Neben dem inzwischen eher als veraltet geltenden Verfahren der Maximalelängenfolgentechnik (MLS), bei der die Impulsantwort mit Hilfe eines speziellen Pseudo-Rauschsignals (MLS-Sequenz) und einer anschliessenden Schnellen Hadamard-Transformation (FHT) generiert wird, kommen heutzutage in erster Linie 2-Kanal-FFT-Messungen zum Einsatz; Meistens mit Hilfe von rosa Rauschen oder Gleitsinus-Signalen (Sweeps, Chirps), theoretisch auch mit weiteren Anregungssignalen, wird hierbei die Impulsantwort entweder über eine inverse Faltung auf der Zeitebene oder (üblicher) aus einer komplexen Division auf der Frequenzebene gewonnen.
Die so erzeugte Impulsantwort wird - gleich wie bei der direkten Methode - quadriert und rückwärts integriert. Die Nachhallzeit wird dann anhand der linearen Regression ermittelt, die über den gewünschten Pegelbereich - meist -5 bis -25 dBr (T20) bzw. -5 bis -35 dBr (T30) - an die "Schröder-Kurve" angelegt wird.
MLS- und 2-Kanal-FFT-Messungen weisen prinzipbedingt die grösste Reproduzierbarkeit aller Methoden auf. Sie bieten auch den grössten Signal-Rauschabstand, da er sich durch die Länge der Mess-Sequenz sowie durch die Mittelung mehrerer Mess-Blöcke nahezu beliebig erhöhen lässt und somit nötigenfalls vom Dynamikumfang her sogar extrem laute Impulsquellen deklassiert. Dies stellt gerade in störbehafteten Umgebungen oder bei der Verwendung wenig leistungsfähiger Schallquellen einen erheblichen Vorteil dar.
Gleitsinus-Signale (Sweeps, Chirps) sind gegenüber (pseudo-)stochastischem/deterministischem Rauschen (z.B. rosa Rauschen / Pink Noise, aber auch MLS-Sequenzen) noch zusätzlich im Vorteil, da sie bei ansonsten identischen Voraussetzungen prinzipbedingt durch den niedrigeren Crestfaktor des Signals noch einmal einen um rund 9 dB verbesserten Signalrauschabstand erreichen bzw. (umgekehrt betrachtet) zur Erreichung der selben Nutzdynamik mit erheblich weniger Pegel und/oder erheblich kürzerer Messdauer auskommen.
Gleitsinusmessungen (und nur diese) haben gegenüber allen anderen Methoden noch einen weiteren Vorteil: Ein sachgerechtes Post-Prozessing in Form einer Ausfensterung der Verzerrungsprodukte vorausgesetzt sind sie praktisch vollständig immun gegenüber jeglichen nichtlinearen Verzerrungen und bieten durch die erheblich geringere "Messdauer pro Frequenz" auch noch deutliche Vorteile beim allfälligen Auftreten von Zeitvarianzen.
Angesichts all dieser Vorteile erstaunt es, dass die 2-Kanal-FFT für den Haupttest nur von 4 von 17 Teilnehmern angewandt wurde (ein weiterer Teilnehmer verwendete das MLS-Verfahren), von denen wiederum nur 3 die zusätzlichen Vorteile einer Gleitsinusmessung nutzten (es dürfte keine allzu grosse Überraschung und kein Geheimnis sein, dass es sich bei zwei von den dreien um die beiden Versuchsleiter handelte).
Für einen Vergleich der Methoden wurde ein umfangreicher Datensatz beigezogen, der alle üblichen Anregungssignale und Methoden enthielt, wobei mit Ausnahme der 2-Kanal-FFT-Messung jeweils mehrere Messzyklen verwendet und daraus die Mittelwerte gebildet wurden.
Abbildung 3-7 zeigt das gestapelte Säulendiagramm mit den prozentualen Abweichungen vom Median. Die Ergebnisse zeigen somit exemplarisch die systematischen Differenzen zwischen den Messmethoden.
Abb. 3-7: Prozentuale Abweichung vom Median für verschiedene Methoden an der Referenzposition
Eindrücklich ist, wie die indirekte Impulsantwortmethode mit nur einem Messzyklus ein gutes Ergebnis liefert. Auch die direkte Methode mit der Schreckschusspistole liefert ein sehr gutes Ergebnis, obschon dazu 6 Messzyklen notwendig waren.
Das neu hinzugekommene Klatschen (K) schneidet recht gut ab. Allerdings war für die 125-Hz-Oktave kein Ergebnis auswertbar und im 500-Hz-Band ist die Abweichung recht gross. Offensichtlich ist bereits in den unteren Mitten selbst in diesem nicht allzu grossen Raum kein genügender Pegel zu erzielen, um den erforderlichen Signal-Rauschabstand zu gewährleisten.
Wie oben beschrieben, ist das Messergebnis einer Methode jeweils aus der Mittelung mehrerer aufeinanderfolgenden Messzyklen entstanden. Abbildung 3-8 zeigt, wie stark diese einzelnen Messzyklen je nach Methode streuen.
Abb. 3-8: Standardabweichung Messzyklen verschiedener Methoden pro Oktavband
Interessanterweise ist die Streuung des Klatschens (grau) und der Ballone (orange) in praktisch allen Bändern am kleinsten, die Reproduzierbarkeit somit am grössten. Bereits deutlich grössere Streuungen weist das abgeschaltete Rauschen (blau) auf.
Bei der Pistole (braun) entsteht ein durchzogenes Bild, in einzelnen Oktaven sehr gut, in anderen sehr schlecht. Ein wesentlicher Grund hierfür dürfte sein, dass bei jedem der 6 Schüsse die Höhe und Position leicht verändert wurde. Vor allem aber wurde die Ausrichtung zum Empfänger signifikant geändert. Unterhalb von ca. 300 Hz verändert sich die gewünschte omnidirektionale Richtwirkung bei Pistolen im Allgemeinen recht stark. Insofern ist es von der Anwendung her auch richtig, unterschiedliche Ausrichtungen vorzunehmen. Die dabei entstehenden Fehler mitteln sich offensichtlich aus, was sich zuvor in Abbildung 3-7 darin zeigte, dass bei der Mittelwertbildung aller 6 Schüsse nur sehr geringe Abweichungen vom Median entstanden.
Bei der Auswahl der geeigneten Messmethode sind verschiedene Aspekte zu berücksichtigen. Als Orientierungshilfe sind in der folgenden Tabelle mögliche Kriterien klassifiziert. Die Methoden sind jeweils mit den bekannten Abkürzungen versehen: IR (indirekte Impulsantwort mittels 2-Kanal FFT oder MLS-Verfahren), PN (abgeschaltetes Rauschen), PIS (Pistolen, Knallquellen), BAL (Ballone), K (Klatschen).
Selbstverständlich kann sich die Klassierung je nach Einzelfall, verwendeter Mesausrüstung etc. auch ändern. Aus der Liste erkennbar ist mindestens, dass es nicht die eine beste Messmethode gibt, sondern dass diese von der jeweiligen Gewichtung der Kriterien abhängt.
|Kriterium||+++||+||-||---|
|Materialaufwand, Aufbauzeit||K||PIS, BAL||PN||IR|
|reine Messzeit, Anzahl nötiger Messungen/Zyklen||IR||K, BAL||PIS||PN|
|Handhabung der Messung, nötige Vorkenntnisse, Einarbeitungszeit||PN||PIS, BAL, K||IR|
|Reproduzierbarkeit||IR||K||BAL, PIS||PN|
|Signalrauschabstand||IR||PIS||BAL, PN||K|
Wie in diesem und den beiden zuvor erscheinen Teilen des Berichts mehrfach erwähnt, ist es wichtig, genügend voneinander unabhängige Messungen vorzunehmen. Wie viele aber sind "genügend" und wie entwickelt sich der Grenznutzen im vorliegenden Saal?
Zur Untersuchung dieses Sachverhaltes wurden die Rohdaten von drei Messungen ausgewertet, welche im Rahmen der offenen Fragestellung aus Teil 1 des Berichts stammen. Verwendet wurden die indirekte Methode zur Gewinnung der Impulsantwort über eine 2-Kanal-FFT, die Methode des abgeschalteten Rauschens (3 Zyklen pro Position) und die direkte Gewinnung der Impulsantwort mit Ballonen. Es wurde jeweils das gleiche Mikrofon eingesetzt, die beiden elektroakustischen Anregungen wurden über denselben Dodekaeder abgestrahlt. Quellen- und Empfängerpositionen waren für alle 3 Varianten identisch.
Aus diesen drei Datensätzen wurden aus den vorhandenen unabhängigen Messungen sukzessive einzelne herausgegriffen, gemittelt und mit dem Referenzwert, dem Gesamtmedian aller Teilnehmer aus Teil 1 verglichen. Abbildung 3-9 zeigt in Form eines gestapelten Säulendiagramms, wie sich die Ergebnisse verändern, wenn die Anzahl der Messpositionen erhöht wird.
Abb. 3-9: Abweichung vom Median bei 1, 3, 6, 12 Messpositionen für 3 verschiedene Methoden
Bei der indirekten Methode zur Gewinnung der Impulsantwort (erste vier Säulen links) ist sehr deutlich erkennbar, dass mit der Anzahl der Messungen die Abweichungen vom Median markant abnehmen, bis sie bei 12 Messungen schliesslich bedeutungslos werden. Ebenfalls gut erkennbar ist aber, dass es teilweise zu grösseren Abweichungen in einzelnen Oktavbändern kommt, z.B. das 125-Hz-Band welches bei 3 Messpositionen erheblich stärker vom Median abweicht, als bei einer einzelnen Messung. Das 500 Hz-Band zeigt eine grössere Abweichung bei 6 und 12 Messpositionen gegenüber 3 oder nur schon 1. Im Allgemeinen ist der Trend aber sehr offensichtlich: mehr Messungen erhöhen die Gesamtgenauigkeit erheblich.
Die nächsten vier Balken zeigen das Ergebnis für das abgeschaltete Rauschen. Auch hier ist eine stetige Verbesserung feststellbar, wobei die einzelnen Schritte besonders zwischen 3, 6 und 12 Messpositionen deutlich weniger ausgeprägt sind. Die Abweichung vom Median ist selbst mit 12 Messpositionen grösser als eine einzelne Messung mittels indirekter Impulsantwort. Anhand des Verlaufs der einzelnen Stufen, die immer mehr abflachen, lässt sich leicht vermuten, dass sich die Messunsicherheit durch zusätzliche Messpositionen kaum mehr erheblich verbessern lässt, ausser man würde einen absurd hohen Aufwand betreiben.
Ein etwas weniger eindeutiges Bild ergibt sich bei den Ballonmessungen zwischen einer und drei Messpositionen, was aber hauptsächlich dem 125-Hz-Band geschuldet ist. Bei sechs Positionen liegt die gesamte Abweichung dann wieder deutlich tiefer. Sie ist im Übrigen auch deutlich kleiner als vergleichbare sechs Messungen mit abgeschaltetem Rauschen.
Fazit: Generell ist klar erkennbar, dass mit der Erhöhung der Anzahl unabhängiger Messungen die Messunsicherheit sinkt. Einen noch grösseren Einfluss hat aber offensichtlich die Messmethode selbst. Es ist naheliegend, dass ein wesentlicher Teil der Unterschiede in den Ergebnissen der 17 Teilnehmer aus dem Haupttest des Ringversuchs der jeweils angewandten Messart geschuldet ist. Durch mehrere Messpositionen gleichen sich die Ergebnisse zwar etwas aneinander an, allerdings nur bis zu einem gewissen Grad, gewissermassen dem Grenzbereich, der der Methode selbst geschuldet ist.
Bei der Auswertung des Haupttests mit freier Wahl von Positionen und Methode zeigte sich, dass 3 von 17 Akustikern keine omnidirektionale Schallquelle verwendeten und damit die entsprechende ISO-Vorgabe verletzten: Zweimal kamen konventionelle 2-Wege-Lautsprecher zum Einsatz, einmal ein vierflächiger Eigenbau mit Breitband-Chassis. Zwei von diesen drei Messungen wiesen mit Abstand die grössten Abweichungen von den übrigen Teilnehmern auf. Die drei Resultate mit gerichteten Quellen sind folgend in Abbildung 3-10 noch einmal zusammen mit dem Median aller Ergebnisse dargestellt.
Abb. 3-10: Ergebnisse T20 Hauptversuch für drei gerichtete elektroakustische Quellen im Vergleich mit dem Median der Messungen aller Teilnehmer (rot-gestrichelt)
Die Unterschreitungen von 333 und 352 sind offensichtlich darauf zurückzuführen, dass das Schallfeld nicht genügend omnidirektional und homogen angeregt wurde. In der 4-kHz-Oktave heben sich die Unterschiede zum Median auf, da hier auch normenkonforme Quellen von der gewünschten omnidirektionalen Charakteristik abweichen. Weshalb 333 in den unteren Mittenbändern zu hohe Werte ablieferte, ist nicht bekannt, es besteht allerdings die Vermutung, dass dies dem verwendeten Messaufbau und der Auswertungs-Software geschuldet ist und nichts mit der Richtcharakteristik der verwendeten Quelle zu tun hat.
Auffällig ist, dass die Ergebnisse von Teilnehmer 171 sehr gut mit dem Median übereinstimmen. Dieser Teilnehmer verwendete zwar eine gerichtete Quelle in Form eines konventionellen Lautsprechers, positionierte diese jedoch konsequent nahe an eine Wand oder Ecke und strahlte an diese statt in den Raum. Durch diese Vorgehensweise kann in gewissem Sinne eine weniger gerichtete Abstrahlung "simuliert" werden.
Generell scheint es nicht ratsam gerichtete Quellen für die Bestimmung der Nachhallzeit zu verwenden (es ist für Messungen nach ISO 3382-1 und für Präzisionsmessungen nach ISO 3382-2 auch nicht zulässig). Wenn dies aber unumgänglich ist, ergeben sich erheblich bessere (d.h. mit omnidirektionalen Quellen eher übereinstimmende) Resultate, wenn man sie an eine oder mehrere Grenzflächen strahlen lässt.
Impulsschallquellen wie ein platzender Ballon, eine Schreckschusspistole oder ein Klatschen haben generell den Nachteil, dass sie eine mehr oder weniger starke, frequenzabhängige Richtcharakteristik aufweisen. Kurioserweise schreibt die ISO 3382-1 zwar genau vor, innerhalb welcher Grenzen sich diesbezüglich elektroakustische Quellen befinden müssen. Was Impulsquellen betrifft, heisst es aber nur lapidar, sie sollen so ungerichtet wie möglich sein. Die Pistole wird namentlich mehrfach und als einzige Impulsquelle in der Norm erwähnt, was aber nicht heisst, dass andere Impulsquellen ausgeschlossen sind.
Der Einfluss der Richtcharakteristik zeigt sich im Ringversuch beispielsweise daran, dass praktisch alle Pistolen- und Ballon-Messungen das 125-Hz-Band systematisch signifikant unterschätzen. Eine ungleichmässige Richtcharakteristik, führt im Allgemein dazu, dass das Schallfeld nicht genügend oder nicht genügend homogen angeregt wird. Je nach dem unter welchem Winkel absorbierende/reflektierende Flächen, die Quelle und das Messmikrofon stehen, sind unterschiedliche Ergebnisse zu erwarten. Durch mehr Messungen oder mehrere Messzyklen an den selben Positionen, bei einer jeweils leicht anderen Ausrichtung der Quelle, lassen sich diese Einschränkungen erheblich minimieren.
Besonders schwierig vorherzusehen ist die Richtcharakteristik eines platzenden Ballons, die massgeblich von der Einstichstelle abhängt, aber auch vom Einstichwerkzeug beeinflusst wird (s. z.B. [2, 3]).
Abgesehen von der Richtcharakteristik bestehen bei Impulsquellen beträchtliche Unterschiede im erzeugbaren Pegel und damit im erzielbaren Signal-Rauschabstand. Das Klatschen schneidet diesbezüglich aufgrund der ausgeprägten Hochpassfilter-Charakteristik und der niedrigen Schall-Leistung naturgemäss eher ungünstig ab, eignet sich aber durchaus für eine orientierende Messung. Die von platzenden Ballonen abgestrahlte Energie ist in der Regel auch für mittlere und grössere Räume ausreichend. Sie lässt sich nötigenfalls erhöhen, indem grössere Ballon-Durchmesser oder (eher exotisch) spezielle Gasfüllungen verwendet werden.
Schreckschusspistolen erreichen einen hohen Schalldruckpegel, der einerseits von der Zusammensetzung der Platzpatronen und massgeblich vom Kaliber abhängig ist. Mehrere Messungen im Rahmen des Ringversuchs haben ergeben, dass 9 mm gegenüber 6 mm praktisch über den gesamten Frequenzbereich hinweg einen rund 15 dB höheren Raumpegel erzeugt. Bei sehr grossen Raumvolumina und/oder einem erhöhtem Grundgeräuschpegel, stellt dies einen signifikanten Vorteil dar. Dies gilt besonders für die unteren Frequenzbereiche, da alle getesteten Pistolen unabhängig vom Kaliber eine starke Hochpassfilter-Charakteristik aufweisen, die bei ca. 1 kHz - und damit sehr früh - einsetzt und im Raum mit rund 8 dB pro Oktave abfällt.
Die Verwendung einer Starterklappe ist ebenfalls eine Alternative. Sie ist einfach zu handhaben und liefert gut reproduzierbare Ergebnisse. Das Spektrum wurde während des Ringversuchs nicht aufgezeichnet bzw. liess sich aus den vorhandenen Daten nicht nachvollziehen. Aufgrund des physikalischen Verhaltens darf aber angenommen werden, dass eine starke Hochpassfilter-Charakteristik vorhanden ist, die den Signalrauschabstand bei tieferen Frequenzbändern begrenzt.
Mittels 2-Kanal-FFT und einem Gleitsinus als Anregung, der über einen Dodekaeder abgespielt wurde, erfolgte eine isolierte Untersuchung vier unterschiedlicher Mikrofone als einziger Variablen. Es kamen Klasse 1 und 2, sowie Frei- und Diffusfeld-Entzerrte Typen zum Einsatz. Zur Beurteilung wurde der Median all dieser Mikrofonmessungen verwendet und die prozentuale Abweichung von diesem pro Mikrofon und pro Oktave berechnet.
Abb. 3-11: Einfluss unterschiedlicher Mikrofone - Abweichung vom Median aller Mikrofonmessungen in Prozent
Die Differenzen sind sehr gering, allerdings mit Ausnahme von Mikrofon d (dunkelgelb), welches in den obersten drei dargestellten Oktavbändern signifikant niedrigere T20-Zeiten erzeugt. Im Gegensatz zu den anderen drei Kandidaten (omnidirektionale Druckempfänger) handelt es sich hierbei um eine Aufzeichnung im Ambisonics-Format erster Ordnung, welche erst im Post-Prozessing in einen omnidirektionalen Empfänger gerendert wurde. Die Differenzen ergeben sich in erster Linie aufgrund von Artefakten, die der Charakteristik und räumlichen Anordnung der A-Format-Kapseln geschuldet sind.
Abgesehen von diesem Spezialfall (der übrigens im Teil 1 des Ringversuchs nicht vorkam) kann man sagen, dass für die Ermittlung der Nachhallzeit das Mikrofon keinen wesentlichen Einfluss auf die Messunsicherheit hat. Ebenfalls getestet wurde die Ausrichtung des Mikrofons, der Einfluss war auch diesbezüglich vernachlässigbar, wie man dies in einem hinreichend diffusen Schallfeld erwartet. Eine frühere Studie hat allerdings deutliche(re) Differenzen sowohl zwischen dem verwendeten Mikrofon, als auch dessen Ausrichtung ergeben. Dies wurde im Rahmen des Artikels über Energie-Zeitkurven im Abschnitt "Einfluss auf andere Messgrössen" besprochen. Die Untersuchungen damals fanden allerdings in einem kleinen Raum statt, dessen Schallfeld sich generell deutlich weniger diffus verhielt. Mit ziemlicher Sicherheit lässt sich dies ohne weiteres verallgemeinern: Je stärker das Schallfeld von Einzelreflexionen bestimmt wird, je näher man sich am Hallradius befindet und je weniger diffus die Umgebung ist, desto grösser ist der Einfluss des Mikrofons und dessen Ausrichtung.
Es gibt in letzter Zeit einige Akustiker (keine Teilnehmer des Ringversuchs), welche die Gewinnung der Impulsantwort über den Umweg von Ambisonics-Formaten propagieren. Ein Vorteil davon ist, dass man mit entsprechender Software interessante und manchmal ausgesprochen hilfreiche 3D-Auswertungen der Raumakustik vornehmen kann. Des weiteren lassen sich über ein entsprechendes Post-Prozessing aus einer einzigen Messung auch einfach und schnell Daten zu Seitenschallgrad oder interauralen Kreuzkorrelations-Koeffizienten gewinnen. Generell bleibt man flexibel, indem man aus einer einzigen Messung auch nachträglich mannigfaltige Signale aus dem aufgezeichneten A- bzw. dem daraus konvertierten B-Format rendern kann. Die obigen Ergebnisse wie auch eine Reihe von internen Untersuchungen der Versuchsleiter zu diesem Thema, lassen allerdings Zweifel aufkommen, ob die so erzielten Ergebnisse immer hinreichend genau sind. Die Anwendung setzt auf jeden Fall einiges an Vorsicht voraus.
Die in Teil 1 dargestellten Ergebnisse des Hauptests haben gezeigt, dass sich die Messunsicherheit der T30-Ergebnisse bei einigen Teilnehmern gegenüber T20 deutlich verbesserte, bei anderen gab es allerdings eine klare Verschlechterung.
Theoretisch ist die Berechnung einer Nachhallzeit über einen 30-dB-Abfall tatsächlich mit einer geringeren Messunsicherheit behaftet, sofern der Signal-Rauschabstand genügend gross ist und die Rauschkompensation des Messgeräts korrekt arbeitet.
Zur Erläuterung zeigt Abb. 3-12 von einer spezifischen Messung die Energiezeitkurve (ETC) für das 125-Hz-Oktavband (grün) und das Ergebnis der Rückwärtsintegration (schwarze Kurve). Diese startet am Beginn des von der Software detektierten Rauschteppichs bei ca. 1 Sekunde und läuft dann nach links an den zeitlichen Anfang des Signals hoch. Der obere Teil der Grafik zeigt alsdann die Regressionsgerade (schwarze Linie) für einen T20-Abfall, der untere Grafikteil, die Regression für einen 30-dB-Abfall (ETC und Kurve der Rückwärtsintegration sind in beiden Grafikteilen identisch).
Abb. 3-12: Beispiel 125-Hz-Band mit Integrationskurve und Regressionsgeraden für T20 (oben) und T30 (unten)
Die T30-Regression zeigt eine deutlich bessere Annäherung an die Integrationskurve und beschreibt das gesamte Abklingverhalten entsprechend genauer. Die resultierende Nachhallzeit liegt bei 1,0 Sekunden, während die T-20-Regression einen Wert von 0,9 Sekunden ergibt. Das dargestellte Beispiel ist kein Einzelfall, sondern zeigt einen systematischen Trend: Je länger der betrachtete Pegelabfall ist, desto mehr wird er von später eintreffenden Reflexionen bestimmt. Diese sind insgesamt diffuser und deshalb auch weniger von frühen, starken Einzelreflexionen geprägt.
Vorausgesetzt, dass die Software diese Möglichkeit vorsieht, kann die Extrapolation im Prinzip auch anhand beliebiger Tx-Zeiten bestimmt werden (-5 dBr bis -x+5 dBr), womit sich die Ergebnisse oft zusätzlich verbessern lassen.
Eine Verschlechterung bzw. ein falscher Wert ist hingegen zu erwarten, wenn aufgrund eines zu hohen Rauschanteils und/oder einer fehlerhaften Detektion des Rauschteppichs die Integrationskurve zu einem falschen Zeitpunkt ansetzt und deshalb eine flachere Gerade und damit eine zu hohe Nachhallzeit ergibt. Auch hier ist eine manuelle Überprüfung von Integrationskurve und Regressionsgerade von Vorteil. Dieser Aspekt wird in Teil 4 des Berichts im Zusammenhang mit dem Test verschiedener Akustik-Softwares noch näher erörtert.
Bereits im ersten Teil des Berichts findet sich die Erwähnung, dass auch das Mess-/Auswertungsgerät einen Einfluss auf die Resultate haben kann. Um diesen Aspekt zu überprüfen, wurden die Signale teilweise parallel mehreren Messapparaturen zugeführt.
Ein Beispiel hierfür ist die Auswertung der vier bereits oben verwendeten, aufeinanderfolgenden Messzyklen mit Ballonen. Die Balkenfarben in Abbildung 3-13 stellen die vier Einzelmessungen dar, in Form der absoluten Differenz zwischen zwei parallel getesteten Geräten. Es gibt offensichtliche Unterschiede, die eine recht deutliche Systematik zeigen, indem das eine Gerät fast durchgehend höhere Werte ausgab. Die Leerstellen in der Datentabelle sind darauf zurückzuführen, dass entweder das eine oder das andere Gerät aufgrund von mangelndem Signalrauschabstand oder anderen Ausschlusskriterien kein Ergebnis lieferte. Die "Messverweigerung" ging dabei fast durchgängig von einem der beiden Geräte aus.
Abb. 3-13: absolute Differenz zwischen zwei Geräten für Ballonmessungen
Vergleicht man die prozentuale Abweichung der Mittelwerte aller Messzyklen zwischen den beiden Geräten, stellt man in einzelnen Oktaven eine doch recht erhebliche Differenz fest.
Abb. 3-14: Prozentuale Abweichung (Mittelwerte über alle Messzyklen) zwischen zwei Geräten für Ballonmessungen
Grössere absolute Abweichungen und durch weniger Systematik gekennzeichnet, konnte man beim Vergleich zweier anderer Geräte feststellen, die drei Zyklen mit abgeschaltetem Rauschen auswerteten (identische vertikale Skalierung wie Abbildung 3-13 oben). Hierbei wurde auch festgestellt, dass das eine Gerät jedesmal geringfügig unterschiedliche Ergebnisse produzierte, wenn man eine Aufzeichnung des Messignals mehrmals hintereinander einspeiste.
Abb. 3-15: absolute Differenz zwischen zwei Geräten für Methode mit abgeschaltetem Rauschen
Vergleicht man die prozentuale Abweichung der Mittelwerte der drei Messzyklen für die beiden Geräte, zeigen sich auch hier deutliche Differenzen, die in einzelnen Oktavbändern nicht mehr vernachlässigbar sind.
Abb. 3-16: Prozentuale Abweichung (Mittelwerte über alle Messzyklen) zwischen zwei Geräten für Methode mit abgeschaltetem Rauschen
Weitere Untersuchungen zu Unterschieden in den Auswertungsalgorithmen werden in Teil 4 des Berichts behandelt.
Mittels einer Formel in ISO 3382 lässt sich die Messunsicherheit abschätzen und zwar abhängig von den verwendeten unabhängigen Messpositionen und der Anzahl der Abklingvorgänge pro Position. Für Abbildung 3-17 wurden nun beispielhaft die Abweichungen vom Gesamtmedian der Messungen mit dem abgeschalteten Rauschen aus Abbildung 3-9 mit der Messunsicherheits-Formel verglichen und in Form der Differenz dargestellt. Die Rubriken zeigen dabei die Oktavbänder, die farbigen Balken stehen für (N=) 1, 3, 6, 12 Messpositionen mit jeweils (n=) 3 Abklingvorgängen pro Position. Negative Werte bedeuten, dass die Abweichung vom Median grösser war als die prognostizierte Messunsicherheit mittels Formel.
Abb. 3-17: Differenz zwischen theoretischer Messunsicherheit und Abweichung vom Median bei der Methode mit abgeschaltetem Rauschen
Auf einen Blick kann man nun sehen, dass die realen Abweichungen generell etwas grösser sind, als es die Abschätzung vermuten lässt: Die meisten Balken gehen in den negativen Bereich. Ebenso offensichtlich ist aber, dass die Abweichungen nur sehr gering sind und maximal um gerade mal 47 Millisekunden abweichen, meistens sind sie aber noch deutlich geringer. Man kann also daraus schliessen, dass die Abschätzformel die reale Situation recht gut wiedergibt. Das war in dieser Deutlichkeit doch etwas überraschend, da die Formel lediglich mit Nachhallzeit, Filterbandbreite, Anzahl Abklingvorgänge und Anzahl Messungen/unabhängige Messungen gefüttert wird und deshalb nichts über das Verhalten des Schallfelds weiss und auch nicht eine allfällig durch das Messgerät verursachte Abweichung kennt.
Mit dieser Konfidenz ausgestattet, kann man nun auch eine rein theoretische Betrachtung anstellen. Für Abbildung 3-18 wurden für verschiedene Kombinationen von N Messpositionen (Rubriken) und n Abklingvorgängen pro Position (farbige Balken) die theoretische T-20-Messunsicherheit in Form der Standardabweichung berechnet. Dargestellt ist die Situation für das 125-Hz-Band bezogen auf die Nachhallzeit des Casino-Saals.
Abb. 3-18: Abschätzung Messunsicherheit T20 Casino-Saal 125-Hz-Band gemäss ISO 3382 für verschiedene Kombinationen von Messpositionen (N) und Anzahl Messzyklen (n)
Zunächst ist die zunehmende Abflachung der Balkenverläufe ersichtlich. Mit anderen Worten, der Grenznutzen wird immer kleiner, was weiter oben schon anhand der realen Messungen gezeigt wurde. Mit der progressiven Erhöhung der Messpositionen wird das Ergebnis zwar genauer, es benötigt aber eine immer grössere Steigerung, um noch eine nennenswerte Verbesserung zu erzielen. So ist etwa zwischen 20 und 30 Messpositionen kaum mehr eine relevante Verbesserung ersichtlich, welche den zusätzlichen Aufwand rechtfertigen würde.
Offensichtlich wird auch, dass die Anzahl unabhängiger Messpositionen einen grösseren Einfluss hat, als die Anzahl der Messzyklen pro Position. Es ist zwar ein deutlicher Sprung von einem Messzyklus (dunkelblaue Balken) zu deren zwei (dunkelorange) erkennbar, dann flacht sich der Verlauf aber auch hier deutlich ab. Beispielsweise ist der hellblaue Balken und damit die Messunsicherheit der ersten Rubrik (10 Abklingvorgänge an einer Messposition) grösser, als der dunkelblaue Balken der zweiten Rubrik (1 Abklingvorgang an 3 Positionen).
Es ist im Zweifelsfalle oder bei Zeitdruck also vorteilhafter viele Messpositionen und dafür weniger Messzyklen pro Position zu verwenden als umgekehrt. Um Normenkonform zu sein, müssen gemäss ISO 3382-1 allerdings auf jeden Fall "eine Reihe" (also mindestens 2) Abklingvorgänge pro Position aufgezeichnet und gemittelt werden, nach ISO 3382-2 abhängig vom Verfahren mindestens 1, 2 oder 3.
Im freien Haupttest des Ringversuchs führten die meisten Teilnehmer welche die Methode des abgeschalteten Rauschens verwendeten zwei oder drei Abklingvorgänge pro Position durch. Die obigen Daten legen nahe, dass dies vernünftig ist.
Abb. 3-19: Akustikmessung mit Eigenbau-Lautsprecher als Schallquelle
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