Akustische Auslegung von Theatern

Pavillon der Elbphilharmonie Hamburg

Der Pavillon der enstehenden Elbphilharmonie in Hamburg bietet einen hervorragenden Einstieg in die optimale Auslegung von Konzertsäalen unter Berücksichtigung modernster Meß- und Bautechniken. Die Philharmonie entsteht (rechts ein Foto im Bau 2009, zu erkennen an den Kränen) auf einem ehemaligen Kaispeicher in der Hamburger Speicherstadt / Hafencity.

Die akustische Auslegung des Großen Saals der Elbphilharmonie Hamburg erfolgte anhand eines 1:10-Modells, das im Pavillon der Elbphilharmonie besichtigt werden kann. Die Geometrieentstehung (Vermeidung von großen, glatten Flächen) und die Entwicklung der Absorptionseigenschaften kann mit diesem Modell verfolgt werden. Zur Besichtigung steckt man von unten den Kopf durch den Bühnenboden in das Modell. Das Video unten wurde von aus dieser Position knapp über dem Bühnenboden aufgenommen. Der Modellierungsaufwand und die Realitätstreue wird durch die ca. 2000 mit Filz beklebten Figuren deutlich, die den vollbesetzten Konzertsaal mit dessen Absorptionseigenschaften simulieren.

mpeg-Video-Download (7,2 MB, 0:58 min) des 1:10 Modells des großen Saals der Elbphilharmonie Hamburg

Elbphilharmonie Hamburg im Bau (Mai 2009)

1:10 Modell Elbphilharmonie Großer Saal

 

 

La Fenice - Opernhaus in Venedig

Die starke Ornamentierung an Decken und Logen der Oper begünstigt eine diffuse Schallreflektion. Die Tiefe der Zuschauerlogen und deren Ausschmückung mit Stoffen wirkt Schall absorbierend.

La Fenice: Aussenansicht

La Fenice: Ornamentierung von Decke und Logenwänden

La Fenice: Ausschmückung der Logen mit Stoffen zur Schallabsorption

Reenginiering in der Raumakustik: Neuere Forschungen befassen sich mit der Simulation der Ausbreitung von polyphoner Renaissance-Musik in den venezianischen Renaissance-Kirchen: Boren und Longair weisen anhand von Musikbeispielen nach, dass die Musik in der Dogenloge klarer wahrgenommen werden konnte als an anderen Orten des Domes San Marco. Sie simulieren auch den Unterschied zwischen dem Klang in einer leeren Kirche und einer gefüllten Kirche (inkl. der damals üblichen, engeren Bestuhlung).

Literatur zur Raumakustik: Vorlesung (74 min) über die der Simulation zugrunde liegenden Computerverfahren, die im Zeitbereich arbeiten und sich auf Strahlverfolgungstechniken (Raytracing, Particle-Tracing) stützen, was sich wesentlich von der Finite-Elemente-Methode (FEM) unterscheidet:

  • Es wird nur ein 2D-Modell der Raumoberfläche mit ihren texilen Eigenschaften benötigt. Hingegen benötigt die FEM ein 3D-Modell.
  • Die Strahlverfolgungsverfahren mit nachfolgender Auralisation (d.h. wav-Datei mit direkter Ausgabe auf Kopfhörer/Lautsprecher) liefert Akustikern Ergebnisse zur Beurteilung von Sprachverständlichkeit. Die FEM berechnet Eigenfrequenzen, Schalldrücke und Schallleistungen; Größen die zur Abschätzung von Lärmschäden herangezogen werden.
  • Die FEM ist bei Berechnungen im Frequenzbereich vorzuziehen, die Strahlverfolgungsmethode arbeitet im Zeitbereich.
  • Die Modelle zur Beschreibung von Reflektionen und Streuung an Wänden sind bei der Strahlverfolgungsmethode vielfältiger als die der Finite-Elemente-Methode, die nur eine Beziehung zwischen Geschwindigkeit (senkrecht zur Wand) und dem Schalldruck kennt. Die Finite-Elemente-Methode kann keine Effekte berücksichtigen, die die Teilchengeschwindkeit parallel zur Wand berücksichtigt.

Unterschiede zwischen den in der Raumakustik eingesetzten Strahlverfolgungsverfahren zu den in der Maschinenakustik eingesetzten Simulationsverfahren (FEM/BEM) in tabellarischer Form:

Charakteristik

FEM

BEM

Strahlverfolgungs- methode

Räumliche Modellgenerierung

Das Luftvolumen muss durch ein 3-D-Netz diskretisiert werden

Der Rand des Luftvolumens muss durch ein oder mehrere in sich  geschlossene 2-D-Netze abgebildet werden. Das Netz kann auf der Oberfläche eines CAD-Netzes generiert werden.

2-D-Oberflächenmodell, das nicht geschlossen sein muss, kann Gegenstände im Raum berücksichtigen. Falls vorhanden, werden Architekturmodelle verwendet.

Physikalischer Mechanismus der Schallausbreitung

Longitudinalwelle

Longitudinalwelle

(Partikel)-Strahl

Mathematische Grundgleichung

Helmholtzgleichung

Helmholtzgleichung

Mechanik/Dynamik eines dimenslosen Punktes

 

 

Modellgenauigkeit bei tiefen Frequenzen

hoch, da Beugungseffekte der Schallwellen  berücksichtigt sind

hoch, da Beugungseffekte der Schallwellen  berücksichtigt sind

gering, da Methode nicht auf dem Wellencharakter der Schallausbreitung aufbaut

Modellgenauigkeit bei hohen Frequenzen

nimmt mit höheren Frequenzen ab, da pro Wellenlänge weniger Diskretisierungpunkte im Netz zur Verfügung stehen

nimmt mit höheren Frequenzen ab, da pro Wellenlänge weniger Diskretisierungspunkte im Netz zur Verfügung stehen

bei höheren Frequenzen nimmt der Einfluß der  Beugungseffekte ab, daher höhere Genauigkeit als bei geringeren Frequenzen

Berücksichtigung von Streuung an den Wänden

Könnte durch eine feine Oberflächendiskretisierung an den Wänden erreicht werden. Wird i.a. wegen des damit unverhältnismäßig steigenden Rechenaufwandes aber nicht durchgeführt. Die Diskretisierung würde aus eine glatten Wand eine Oberfläche mit Knicken machen. Die Generierung der Knicke würde einer Beliebigkeit unterliegen. Schwierig die reale Streuungssituation damit  abzubilden.

identisch wie bei FEM

Methode enthält Streuung (=diffuse Reflektion): Ein auf eine Wand treffender Strahl wird mit winkelabhängiger Intensität in alle Richtungen gestreut und reflektiert.

Zeitbereich vs. Frequenzbereich

sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich möglich, i.a. wird der Frequenzbereich bevorzugt

fast ausschliesslich im Frequenzbereich

Zeitbereich, da Modell ohne  Wellenmodell und damit verbundenen Begriffen wie Frequenz oder Wellenlänge auskommt

Innenräume vs. Aussenräume

beides

beides

theoretisch beides, besondere Stärke in großen Innenräumen (Kirchen, Theater).

Wandimpedanz

Berücksichtigung durch Beziehung zwischen dem Wanddruck und der Änderung der zur Wand senkrechten Geschwindigkeitskomponente

identisch wie bei FEM

da kein Wellenmodell vorhanden, können frequenzabhängige komplexe Impedanzen (mit Real- und Imaginärteil) zur Berücksichtigung von Steifigkeit und Dämpfung der Wand nicht berücksichtigt werden.

Reflektion / Absorption

in der Wandimpedanz enthalten, berücksichtigt aber nur die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Wand

identisch wie bei FEM

Reflektions- und Absorptionsmodell enthält sowohl normale und zur Wand parallele Geschwindigkeitskomponenten des Strahles

Sage Music Hall Gateshead, Newcastle upon Tyne

Sage Music Hall Gateshead (Mitte links): Die kokonförmige Hülle nimmt aussen eine günstige akustische Architektur vorweg: Reduktion von Kanten, geschwungene Flächen.

Sage Music Hall Gateshead: Konzertsaal

Sage Music Hall Gateshead: Konzertsaal

Sage Music Hall Gateshead

Reduktion der senkrechten Kanten im Zuschauerbereich zur Verringerung von Kantenbeugung der Schallwellen und zur Reduktion der Direktionalität von Wellen

Ineinander gefächerte Deckenbereiche der Sage Music Hall zur Erhöhung der absorbierenden Flächen.

Vorraum mit den Glasflächen der Aussenhülle der Sage Music Hall.

 

 

 

Berlin Friedrichstadtpalast: Die Innenausstattung enthält ähnliche Gestaltungselemente wie die Sage Music Hall: Geschwungene Lichtleisten, gebrochene Flächen der senkrechten Wände, die die diffuse Schallreflektion unterstützen:

Berlin Friedrichstadtpalast Juni 2013

 

 

 

Filzbespannte Wände im Friedrichstadtpalast BerlinSenkrechte Wände im Friedrichstadtpalast

Unebene, mit Filz als Absorbermaterial bespannte Wände zur Schallabsorption und zur diffusen Reflektion. Die Textilbespannung der Theatersessel wirkt ebenfalls als Absorber.

Gebrochene senkrechte Wände im Friedrichstadtpalast: Glatte Flächen haben nur eine kleine Ausdehnung.

 

 

 

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