Schallwellen und ihr Einfluss auf den Klang

Schall tritt immer in Wellenform auf, genauer gesagt in Form einer Longitudinalwelle (Abbildung). Eine Longitudinalwelle beschreibt eine Welle, die in Ausbreitungsrichtung schwingt. Also eine Schallwelle, die sich zum Beispiel gleichmäßig von einem Lautsprecher weg ausbreitet. Schallwellen können je nach Lautsprecherart unterschiedlich weit gefächert beziehungsweise gerichtet sein. Die Tonlage beeinflusst ebenfalls das Verhalten der Schallwelle. So nimmt man eine tiefe Frequenz besser aus größerer Entfernung wahr als eine hohe Frequenz, die genau so weit entfernt ist. Das kennt man vielleicht von einem Konzert, das man aus der Ferne wahrnimmt. Der Bass ist meist sehr deutlich zu hören, Stimmen dagegen nur bedingt.Schallwellen_Bild1

Die meisten schenken der Schallwelle und der damit verbundenen Akustik wenig bis gar keine Aufmerksamkeit beim Aufstellen ihrer Lautsprecher. Je mehr man aber in den professionellen und semi-professionellen Bereich der Audiowelt blickt, umso mehr gewinnen die Akustik und das Kontrollieren der Schallwellen an Bedeutung. Ganz gleich, ob es sich um ein Aufnahmestudio, ein Musikzimmer oder ein Heimkino handelt, überall kann man durch das gezielte Steuern der Schallwellen mehr aus seinem Equipment herausholen. Bei der sogenannten Raumakustik werden Reflektoren, schalldämpfende Elemente und sogenannte Diffusoren eingesetzt, um die bestmöglichste Ausbreitung der Schallwellen zu gewährleisten.

Wie sich Schallwellen ausbreiten und verhalten

Wie man genau einen Raum ausstatten kann, um ein möglichst gutes Klangbild zu erhalten, erfahren Sie im nächsten Artikel zum Thema Raumakustik. Zunächst ist es wichtig zu verstehen, wie sich Schallwellen verhalten, und vor allem, wie sie sich in den eigenen vier Wänden ausbreiten. Am Anfang steht der Entstehungsort der Schallwelle, in unserem Fall ein Lautsprecher. Je nach Bauart des Lautsprechers und vor allem je nach Art des Schallwandlers können Lautsprecher vollkommen unterschiedliche Abstrahlwinkel aufweisen. Die Schallwelle breitet sich bei allen gängigen Lautsprechern vom Lautsprecher weg aus. Wie groß der Abstrahlwinkel ist, kann sich von Lautsprecher zu Lautsprecher stark unterscheiden.

An dieser Stelle haben wir bereits die drei wichtigsten Schallwandler vorgestellt. Alle drei weisen eine unterschiedliche Abstrahlcharakteristik auf und werden von Lautsprecherherstellern deshalb bewusst für bestimmte Lautsprecher eingesetzt. Das Horn gibt normalerweise eine eher gerichtete Schallwelle ab, wobei die Kalotte einen sehr breiten Abstrahlwinkel besitzt. Ein herkömmliches Paar Stereolautsprecher verfügt meistens über Konuslautsprecher, deren Abstrahlwinkel ungefähr zwischen Horn und Kalotte liegen. Das hat sich im Musikbereich bisher als gut erwiesen, da man zwar das optimale Klangbild direkt davor sitzend erreicht, aber eben nicht nur sich alleine beschallt. Sich ganz alleine zu beschallen, wäre allerdings auch mit einem extrem gerichteten Lautsprecher nicht möglich.

So werden Schallwellen reflektiert

Denn selbst wenn man es schaffen würde, nur sich selbst im Bereich der Schallwelle zu positionieren, so werden doch auch Außenstehende die wiedergegebenen Töne wahrnehmen können. Schallwellen werden nämlich von nahezu allem reflektiert und breiten sich so im ganzen Raum aus. Unter Umständen erreicht die Schallwelle so dann auch einen anderen Raum, wenn nämlich beide Räume durch eine Tür verbunden sind. Trifft eine Schallwelle auf eine komplett glatte Oberfläche, so gilt hier wie in der Geometrie: Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel.

Eine glatte Wand ist dann auch so ziemlich das Ungünstigste, auf das ein Lautsprecher ausgerichtet sein kann. Besser ist es, er zeigt auf eine unebene Oberfläche. So reflektieren die Schallwellen in viele verschiedene Richtungen, und der Schall verteilt sich besser im gesamten Raum. Schallreflexionen können den Hörgenuss aber auch ziemlich beinträchtigen, man denke nur an einen komplett leerstehenden Raum. Hier wird selbst die eigene Stimme mehrfach reflektiert, und es entsteht ein Hall, was beim Musikhören oder im Heimkino unangenehm sein kann. Unter dem Gesichtspunkt der Raumakustik wäre das der absolute Super-GAU, denn der Schall lässt sich so nicht kontrollieren.

Mit dem Bass durch die Wand

SubwooferWie im ersten Absatz bereits angerissen, lassen sich tieffrequente Schallwellen, also Bässe, über eine wesentlich höhere Distanz wahrnehmen als hochfrequente Schallwellen. Das liegt an der Länge der Schallwellen. Eine tieffrequente Schallwelle von 20 Hz hat in der Luft eine Wellenlänge von 17 Metern, die Schallwelle eines 100-Hz Tons ist dagegen gerade mal 3,40 Meter lang. Um eine lange 20-Hz-Welle aufzuhalten bedarf es viel mehr oder größeren Hindernissen, als es bei einer 100-Hz-Welle der Fall ist. Im Freien sorgt die Luft- und Bodenabsorption also bei hochfrequenten Schallwellen dafür, dass diese in weiter Entfernung kaum mehr wahrzunehmen sind. Lange, tieffrequente Schallwellen passieren diese Hindernisse einfacher und dringen auch auf höhere Distanzen durch.

Ähnliches gilt auch für geschlossene Räume. Das werden vor allem Besitzer einer Heimkinoanlage mit starkem Subwoofer wissen. Wer in einem Mietshaus wohnt, hat sehr wahrscheinlich schon mal Bekanntschaft mit seinen unmittelbaren Nachbarn gemacht. Denn gerade die Schallwellen des Subwoofers dringen leicht durch Wände hindurch, während die Hoch- und Mitteltöne nur selten im Nachbarzimmer zu hören sind. Auch hier ist das Hindernis, in dem Fall die Wand, ausschlaggebend für diesen Effekt. Die tieffrequenten Schallwellen sind so stark, dass sie das Hindernis selbst in Schwingung versetzen, und so die Schallwellen weitergegeben werden. Zudem sei erwähnt, dass der Mensch tiefe Frequenzen als besonders unangenehm empfindet. Der Bass kann also oft schon bei Zimmerlautstärke vom Nachbar als störend wahrgenommen werden.

Raummoden – stehende Schallwellen

Auch die sogenannten Raummoden können Liebhaber von kräftigen Bässen vor Probleme stellen. Dabei handelt es sich um stehende Schallwellen, die aufgrund der Länge der tieffrequenten Schallwellen vor allem bei der Verwendung von Subwoofern vorkommen. Hierbei handelt es sich allerdings um eine Schallreflexion, genaugenommen um eine mehrfache Schallreflexion. Die Bass-Welle reflektiert immer wieder von einer zu anderen Wand und verstärkt sich so selbst. Die Folge ist ein unangenehmes Dröhnen. Allerdings kann sich die Bass-Welle durch Reflexionen auch teilweise oder sogar ganz aufheben. Sogenannter Antischall kann auch künstlich erzeugt werden, etwa durch einen zweiten Subwoofer an der gegenüberliegenden Wand. Das wiederum hebt die Reflexion und das damit verbundene Dröhnen auf, Stichwort: Double-Bass-Anordnung. Antischall macht man sich im Übrigen auch bei Noise-Cancelling-Kopfhörern zu nutzen.

Fun Fact: der Dopplereffekt

Zum Schluss noch ein wenig Wissen, dass im Hifi-Bereich weniger wichtig ist, aber dennoch mit der Ausbreitung von Schallwellen zu tun hat. Jeder kennt den Dopplereffekt, hat sich darüber aber wahrscheinlich noch nicht allzu viele Gedanken gemacht. Bestes Beispiel ist ein vorbeifahrender Krankenwagen: Solange der Krankenwagen auf einen zufährt, klingt das Martinshorn immer höher. Sobald der Krankenwagen sich wieder von einem entfernt wird der Ton tiefer. Das Martinshorn gibt aber eigentlich immer die gleichen Töne in der gleichen Tonhöhe wieder. Fährt der Krankenwagen auf einen zu, werden die Schallwellen gestaucht, also kürzer und somit höher, als sie eigentlich sind. Entfernt sich der Krankenwagen wieder, ziehen sich die Schallwellen in die Länge und werden tiefer. Das verdeutlicht noch einmal, dass die Höhe der Frequenz unmittelbar mit der Länge der Schallwelle verbunden ist.

Animation des Dopplereffekts bei einem Krankenwagen

Fazit

Schallwellen sind wesentlich komplexer, als der Laie zunächst annehmen würde. Je nach Lautsprecherart und Frequenzhöhe verbreiten sie sich unterschiedlich innerhalb eines Raumes (oder auch im Freien). Das kann im schlimmsten Fall zu unangenehmen Nebeneffekten führen, beispielsweise zu ungewollten Schallreflexionen. Beim Aufbau der Hifi- oder Heimkinoanlage sollte also unbedingt auf die Ausbreitung der Schallwellen und die damit verbundenen Schallreflexionen geachtet werden. Wie man einen Raum akustisch so gestaltet, dass man eine optimale Ausbreitung der Schallwellen erreicht, erfahren Sie im nächsten Artikel zum Thema Raumakustik.

Titelbild: Teufel
Bild 1: © By Christophe Dang Ngoc Chan (cdang) (Own work) [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons
Bild 2: © Teufel
Bild 3: © By Charly Whisky 18:20, 27 January 2007 (yyy) (Own work) [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.5-2.0-1.0], via Wikimedia Commons

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Teufel Blog Redaktion

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