ETC verstehen: Laufzeitmessungen und Erstreflexionen

by James Lindenschmidt

Die Messtechnische Analyse eines Hörraums, mit hierauf spezialisierter Software, hat sich in den letzten zehn Jahren soweit entwickelt, dass sie selbst für weniger bewanderte Anwender problemlos durchzuführen ist. Die Messung ist ein äusserst hilfreiches Werkzeug. Sie lässt uns verstehen, warum unser Raum bestimmte klangliche Eigenheiten aufweist und gibt uns zahlreiche Informationen, welche bei der Verbesserung unseres Hörraums behilflich sein können.

Die objektiven Daten, welche uns Messungen liefern, können logischerweise nicht durch reines hören erhoben werden. Natürlich können wir klangliche Unterschiede wahrnehmen, aber das Hören, sowie die Wahrnehmung generell unterliegen immer der Erwartungshaltung und dem Placeboeffekt. Das macht es uns schwer, sachlich einzuordnen, was tatsächlich akustisch geschieht. Eine Messung gibt uns die Möglichkeit, die Raumakustik objektiver zu beurteilen.

Eines der gängigsten Programme zur Messung von Räumen ist Room EQ Wizard (REW). Diese umfangreiche Software läuft auf allen gängigen Betriebssystemen und ist kostenfrei verfügbar. Zu den Grundlagen von Room EQ Wizard haben wir einen Artikel veröffentlicht, in welchem wir erklären, wie die Software installiert und eingerichtet wird und wie man eine Messung durchführt. Ergänzend haben wir einen Artikel speziell zum Thema Wasserfalldiagramme veröffentlicht. Dies sind wichtige Grundlagen um eigene Messungen durchzuführen, sollten sie nicht bekannt sein, würde ich vorschlagen mit ihnen zu beginnen. Zu großen Teilen geht es in diesen Artikeln um Frequenzen und SPL, relativ einfach zu verstehende Themen für die meisten Menschen aus dem Audiobereich. Frequenzgänge sind zum Beispiel gängige Darstellungen wenn es um tontechnisches Equipment geht.

Ein Frequenzgang kann jedoch einen der entscheidenden Faktoren des Hörerlebnisses nicht wiedergeben: Zeit. Schall bewegt sich über die Zeit und die Wahrnehmung des Schalls verändert sich mit der Zeit. Diese beiden Faktoren müssen mit einbezogen werden, wollen wir bewerten wie ein Raum klingt.

Tiefer eintauchen: ETC und das Impulsfenster

Schallereignisse geschehen nie augenblicklich. Schon per Definition ist Schall gebunden an Veränderung über Zeit. Die Raumakustik verhält sich dynamisch, das heisst, die Auswirkungen des Raums auf unser Hörerlebnis verändern sich ebenso über die Zeit. Unsere Messungen sollten deshalb diese Veränderungen über die Zeit mit einbeziehen. Die vermutlich anschaulichste Darstellung einer Zeitbasierten Messung, ist das Wasserfalldiagram. Es wird oft verwendet um darzustellen welche Frequenzen im Raum zu lange ausklingen oder “dröhnen“. Ein anderes Fenster in der REW Software bietet einen ebenfalls sehr nützlichen Graphen, welcher sich auf die Zeitdomäne bezieht: Das Impuls Fenster. Es stellt eine so genannte “Energy Time Curve“ kurz ETC dar. Wie der Name bereits impliziert, stellt dieser Graph den Energieverlauf über die Zeit dar. Anders als die bereits vertrauten Graphen, welche die Energie über den Frequenzverlauf darstellen.
Klicken wir auf den “Impulse“ Reiter und wählen das Envelope (ETC) Kästchen aus (nur dieses bitte), sehen wir einen Graphen der ungefähr so aussieht:

Dieser Graph unterscheidet sich stark von einem Frequenzgang, hauptsächlich dadurch, dass die X Achse nicht die Frequenz sondern die Zeit abbildet. Dieser Graph, zeigt uns also – in anderen Worten – lediglich die Energie des Schalls auf, beinhaltet jedoch keine weiteren Informationen (wie z.B. die Frequenz).

Jeder Messdurchgang in REW beinhaltet eine Impulsantwort. Es macht daher sehr viel Sinn, jeden Lautsprecher im Raum einzeln zu testen, egal ob bei einem Stereo oder einem 7.1 System. Wir erhalten dadurch zwar mehrere Graphen, doch jeder Graph wird auch akkurater und besser zu lesen sein. So können wir für jeden Lautsprecher separat nachvollziehen, wie dieser über die Zeit mit dem Raum interagiert.

Bei der Messung kleiner Räume, interessieren wir uns hauptsächlich dafür, was während dem Anfangsstadium der Psychoakustischen Wahrnehmung, zusammengefasst unter dem sogenannten Präzedenz Effekt passiert. Unterhalb einer Schwelle von, 20-40ms (Durchschnittswert), nehmen wir identische oder ähnliche Schallereignisse nicht mehr als Echo wahr und können sie nicht voneinander differenzieren. Wir nehmen die Schallereignisse in diesem Zeitraum, als ein gemeinsames Ereignis wahr. Wir hören also nur ein Signal, obwohl die Interaktion zwischen diesen verschiedenen Schallereignissen, natürlich hörbare Auswirkung auf das wahrgenommene Ereignis hat. Um ein Beispiel zu nennen: Aufgrund des Maskierungseffekts nehmen wir das schwächere Schallereignis nicht als unabhängiges Echo mit eigener Ortung wahr. Die Interaktion dieser Reflexion mit dem Originalsignal führt jedoch zu Kammfiltereffekten, welche wir wahrnehmen. Das ursprüngliche Signal kann hierdurch z.B. auch als lauter wahrgenommen werden.

Sobald wir über den Echo Schwellwert, also den Punkt an dem wir eindeutige Echos wahrnehmen, kommen, nehmen wir beide Schallereignisse als eigenständiges Ereignisse wahr. Es gibt einige Unstimmigkeiten bezüglich dieses Schwellwerts, es gibt verschiedene Meinungen hierzu welche von 20ms über 30 bis 40 oder sogar 100ms reichen:

„Der Übergangsbereich zwischen dem Integrationseffekt für Verzögerungen (weniger als 35ms) und der Wahrnehmung verzögerter Schallereignisse als eindeutiges Echo, stellt sich graduell und somit unbestimmt dar. Manche ziehen die Trennlinie bei einer praktischen Sechzehntel Sekunde (62ms), manche bei 80ms und wieder andere bei 100ms und mehr, da wir hier eindeutig von einem Echo sprechen. In diesem Buch definieren wir die ersten 30ms… als Bereich der definitiven Integration“ (Everest, Master Handbook of Acoustics, 4. Edition, S. 74).

Was wir uns verinnerlichen sollten ist, dass ein Übergangsbereich zwischen der Wahrnehmung einer Reflexion als Teil des Ursprungssignals, hin zur Wahrnehmung der Reflexion als Echo existiert. Der so genannte Präzedenz Effekt ist deshalb für unsere Messungen mit ETC Kurven relevant und sollte im Hinterkopf behalten werden.

Sollten Sie dies noch nicht getan haben, kann folgendes Hörexperiment in Ihrer DAW (Digital Audio Workstation) mit einem Delay Effekt sehr aufschlussreich sein. Bringen Sie den Feedback-Regler des Effekts auf minimale Position (nur eine Wiederholung). Stellen Sie den Wet / Dry Regler auf 50% und beginnen Sie mit der Verzögerungszeit bei 0ms. Jetzt erhöhen Sie die Verzögerungszeit langsam auf 100ms. Hören Sie genau hin, achten Sie darauf, wie Sie die Veränderung der Verzögerung wahrnehmen. Kurze Verzögerungszeiten führen zu wahrnehmbaren Artefakten ähnlich Chorus, Phasing oder Flanging Effekten. Dies meist im Zusammenspiel mit Kammfilter Effekten, welche einige Frequenzen herausstechen und andere verschwinden lassen. Mit der Zeit werden Sie eindeutige Echos wahrnehmen, vermutlich zwischen 30 und 50ms.
Im Rahmen unseres Tests sollte der ETC Graf so eingestellt werden, dass die ersten 50ms angezeigt werden (über das Limits Fenster in REW). Somit erhalten wir die für uns wichtigen Informationen der Impulskurve.

Geglättete Impulsspitzen? Was genau sehen wir hier?

Am einfachsten ist ein ETC Graph so zu verstehen, jede Impulsspitze steht für eine Reflexion, welche von einer undefinierten Fläche erzeugt wird.
Wir wissen bereits, dass Kontrolle über die Erstreflexionen einer der Grundfeiler für einen guten Raumklang ist. Mit dieser Messung können wir uns also darstellen lassen, wie gut uns das gelungen ist. Die Messung kann auch nützlich sein um zu definieren, woher die Reflexionen kommen. Wir erinnern uns, Schall benötigt eine gewisse Zeit um sich durch den Raum zu bewegen. Die Schallgeschwindigkeit beträgt 343,2 Meter pro Sekunde bei 20° Raumtemperatur. Also 34,32cm pro Millisekunde. Der Einfachheit halber, macht es Sinn von 34cm pro Millisekunde auszugehen.

Zum Beispiel, Bild Nummer 2:

Anhand dieses Graphen kann man erkennen, dass die erste Impulsspitze bei ungefährt 3 Millisekunden stattfindet. Hier ist Geometrie recht nützlich; Anhand dieses Beispiels können wir errechnen, dass sich der Schall 102,96cm weiter als der Direktschall aus dem Lautsprecher bewegt hat, bis er zum Messmikrofon gelangt ist. Diese Reflexion rührt daher vermutlich von einer Oberfläche in der Nähe der Lautsprecher oder des Messmikrofons. In diesem Beispiel, resultieren die sehr frühen Erstreflexionen aus der Aufstellung der Lautsprecher auf einem Tisch. Dies ist einer der Gründe, warum es so wichtig ist, ihren Tisch und dessen Ausrichtung für die Arbeit mit Ton zu optimieren. Sowohl akustisch als natürlich auch ergonomisch.

Unser Hauptaugenmerk bei der Auswertung von ETC Messungen, liegt auf drei Faktoren:

1. Ein gleichmässiges Abklingen der Impulsspitzen. Jede Impulsspitze sollte schwächer als die vorangehende sein, ohne jegliche Sprünge bei welchen leisere Impulsspitzen lautere auf der Zeitachse überholen. Der obige Graph in Bild Nummer 2 ist daher KEIN Beispiel für einen gut ausklingenden Raum, da diverse Impulsspitzen lauter sind als ihre Vorgänger. Siehe 12, 19 und 22ms.
2. Schwache Impulsspitzen innerhalb des Echo Schwellwerts. Impulsspitzen im Bereich zwischen 0 und rund 20-40ms sollten mindesten 10 – 20dB leiser sein als spätere Impulsspitzen. Die Meinung schwanken auch hier, was exakte Zahlen betrifft. Ein paar der besseren Räume die wir von GIK gesehen haben, zeigten Impulsspitzen von Minus 15 bis 20dB innerhalb von 20 Millisekunden. Räume dieser Art sind psychoakustisch weniger verwirrend, das Stereobild ist definierter, die Ortung im Stereofeld ist realistischer und die grundsätzliche Artikulation ist definierter. Der Graph aus Bild Nummer 2 ist diesbzeüglich recht gut, da nur eine Impulsspitze nach 20ms bei -15dB liegt und eine Anderen bei -20dB.
3. Die Graphen aller Lautsprecher im Raum sind identisch. Zumindest so identisch wie möglich. Je symmetrischer der Raum ist, desto besser die Chancen, dass alle Graphen identisch sind. Wir wissen, dass jeder Raum die Wiedergabe bis zu einem gewissen Grad verändern wird, wir versuchen also diese Veränderung zu minimieren und im Idealfall dafür zu sorgen, dass diese Veränderungen im Idealfall für jeden Lautsprecher identisch sind. Sollte unser Raum nicht symmetrisch sein, gibt es diverse akustische Maßnahmen, welche wir ergreifen können, um unseren Raum wieder akustisch symmetrischer erscheinen zu lassen. Wir können die Resultate der ETC Messung, zusammen mit dem kritischen Hören vertrauter Musik verwenden um unseren Fortschritt zu bewerten.

Die Darstellung verbessern:

Oft kann es schwierig sein den ETC Graphen zu lesen und zu interpretieren. Vor allem, wenn wir zwei Messungen vergleichen möchten. Zum Glück bietet uns REW Optionen um die Daten verständlicher darzustellen. Die wichtigste Option ist hier smoothing, dies ist sehr hilfreich um eine bessere Vorstellung des groben Kurvenverlaufs zu bekommen. Die Darstellung ist weniger detailliert als in unserem ungeglätteten Graphen. Die Smoothing Option finden Sie im Controls Menü oben Rechts im REW Fenster. Im folgenden Bild sehen Sie die ETC Smoothing Option rot eingekreist, sie steht auf 0,2ms.

Die Smoothing Funktion kann so angepasst werden, dass die ETC Kurve klarer dargestellt und man nicht mehr durch zu viele Impulsspitzen abgelenkt wird.

Die Rettung naht in Form von Akustikmodulen!

Die Lösung für die oben beschriebenen negativen Raumeinflüsse sind Absorber an den Reflexionspunkten. Diese Maßnahme für die Erstreflexionspunkte sollte auch Einsteigern in Sachen Raumakustik bekannt sein. Sie wird in diesem Video erklärt:

Zusätzlich zu den positiven Effekten, welche im Video erwähnt wurden – ein besseres Stereobild, besseres akkurates Abhören, verlässliche Mixentscheidungen, etc. – werden durch Absorption auch einige der Impulsspitzen eliminiert oder vermindert und somit die Nachhallzeit des Raums verbessert. Einfache 5cm starke Absorber, wie die 242 Akustikwand, können einen großen Beitrag zu den gewünschten Verbesserungen beitragen. Stärkere Module wie die 244 Bassfalle oder Monster Bassfalle, erweitern die Absorption in Richtung tieferer Frequenzen. In kleineren Räumen, ist es sinnvoll, tiefere Module an den Reflexionspunken einzusetzen, um die Basswiedergabe möglichst effektiv zu optimieren.

Fragen Sie uns nach Hilfe!

Die ETC Messungen können helfen, besser zu verstehen, was in Ihrem Raum vor sich geht. Wir helfen Ihnen wie immer gerne dabei Ihre Messungen zu interpretieren und empfehlen natürlich auch gerne Lösungen mit unseren GIK Akustikmodulen. Nehmen Sie Kontakt zu uns auf und lassen Sie sich kostenfrei beraten.