Audiotechniek

Akoestiek in de luisterruimte (3)

© Theo Wubbolts, september 2019

Akoestiek - korte reflecties, je zal ze hebben.

Dit artikel is het derde deel in een serie van drie. In deel één hebben we de lage-tonen resonanties behandeld, in deel twee het verschijnsel galm. Zoals in de inleiding in deel één al gesteld: vrijwel alle akoestische aspecten in deze serie artikelen hebben te maken met de mate waarin en de manier waarop geluid door de wanden, de vloer, het plafond en objecten in de kamer wordt gereflecteerd. In dit derde deel behandelen we de korte reflecties. Voor alle duidelijkheid eerst het volgende.

De informatie in dit artikel is gebaseerd op akoestische kennis en de ervaring die Frank Imholz tijdens het werk in zijn bedrijf Rivasono opdeed bij honderden bezoeken, metingen en gesprekken met de bewoners of gebruikers van allerlei kamers waarin gesproken en/of muziek afgespeeld of muziek gemaakt wordt en het leveren van advies en oplossingen daarbij.

Akoestiek is geen exacte wetenschap; we horen allemaal anders en hebben verschillende wensen en verwachtingen. Ook de oplossingen kunnen soms verschillen. Zie dit artikel dus niet als wetenschappelijke verhandeling, maar vooral als praktische uitleg en het aanreiken van oplossingen die naar Frank's ervaring goed blijken te werken.

	Direct geluid, korte reflecties en galm

Korte reflecties, wat zijn dat?
In het licht van audio-weergave in een huiskamer, studio, home cinema of luisterruimte kunnen wij stellen dat galm vooral te maken heeft met langer durende reflecties (de tijd dat het geluid tussen wanden, vloer en plafond heen en weer blijft kaatsten bedraagt in een goede luisterruimte van gemiddelde grootte tussen 0,3 en 0,5 sec; zie het vorig artikel). De korte reflecties zijn, ook weer in relatie tot audio-weergave, dereflecties onder 40 ms (0,04 sec na het direct ontvangen geluid).

n dit gebied tot 40 ms vallen dus ook de zogenaamde eerste reflecties; de eerste reflectie van het geluid, komend van de geluidsbron (de speaker) dat van de wanden, vloer en plafond teruggekaatst wordt en de luisteraar bereikt. Omdat het door harde wanden en vloer/plafond gereflecteerde geluid bijna net zo sterk is als het directe geluid van de luidsprekers, bepaalt het voor een groot deel de weergavekwaliteit. Van belang voor stereoweergave zijn dus vooral de zogenaamde eerste reflecties, komend van de wanden, de vloer en het plafond.

Belangrijk hierbij is te realiseren dat we het bij audio vaak hebben over het verschil tussen het direct ontvangen geluid - van de speakers tot de luisteraar - en het via bijvoorbeeld de zijwand gereflecteerde geluid. Als bijvoorbeeld de afstand van de luidspreker tot de luisteraar 4 meter is, heeft het directe geluid bijna 12 ms nodig om de luisteraar te bereiken. De eerste reflectie van de zijwand, waarbij in dit voorbeeld de afstand via de zijwand 6 meter is, arriveert na ruim 17 ms bij de luisteraar. Het verschil tussen het directe geluid en de eerste reflectie is dan 5 ms.

Waarom zijn korte reflecties van belang?
Stereo-weergave, de illusie van een orkest op een diep podium en de virtuele podiumbreedte worden mede veroorzaakt door kleine tijds- en timbreverschillen tussen het linker en rechter kanaal. Deze tijdsverschillen bevinden zich in het bereik onder 40 ms, van de korte reflecties dus. Deels zijn deze tijdsverschillen in de akoestiek van de opname zelf vastgelegd en voor een deel worden deze door de luisterruimte eraan toegevoegd.

In (huis)kamers met normale afmetingen is de afstand van de luisteraar tot de wanden, de vloer en het plafond relatief gering en daardoor zijn de reflecties van het geluid relatief sterk. Tevens is de tijd die het geluid nodig heeft om via de dichtbij zijnde wanden terug te kaatsen relatief kort.

De tijdsduur tussen het directe geluid en de eerste grotere reflectie is mede bepalend voor de nabijheid van het podium en de subjectieve grootte van de ruimte van zaal of studio van de opname.

Kleuring door absorptie
Sterk gereflecteerd geluid werkt in op het directe geluid en geeft verkleuring omdat de reflecterende oppervlakten van de kamer bijna altijd het ene frequentiegebied beter dan het andere absorberen en het geluid daardoor selectief terugkaatst. Dit treedt niet één keer op, maar iedere keer dat het geluid tegen een wand kaatst, wordt weer wat geluid van bepaalde frequenties meer geabsorbeerd en geluid van andere frequenties minder. Dit geldt ook voor dunne absorberende materialen zoals gordijnen.

Selectieve absorptie; treedt bij vrijwel alle bouw- en interieurmaterialen op. In dit voorbeeld worden hoge tonen meer geabsorbeerd dan midden- en lage tonen.

Kleuring door comb filtering
Geluid manifesteert zich als een golfvorm. Daarnaast speelt bij reflecties nog het effect van 'comb filtering'; het uitdoven van geluid van bepaalde frequenties. Als het, door bijvoorbeeld een zijwand, gereflecteerde geluid in tegenfase is met het directe geluid, wordt het uitgedoofd (het principe waar een noise cancelling hoofdtelefoon op werkt). In de praktijk zal hierdoor geluid van een aantal frequenties veel zwakker klinken dan andere. Zeker in een kleinere ruimte, waarbij de reflecties relatief sterk zijn. (Ga maar eens heel dicht bij een wand staan praten; het zal anders klinken dan praten op een wat grotere afstand van de wand.)

Door het in fase en tegenfase zijn van geluid treedt dit 'comb filtering' effect in onze luisterruimtes altijd op, maar hoe kleiner de ruimte, hoe sterker en hoe vaker reflecties optreden en dus hoe sterker dit fenomeen opspeelt.

(Het heet 'comb filtering' omdat verticale lijnen in de grafiek van de meting van de geluidssterkte eruit zien als tanden van een kam. Deze verticale lijnen geven overigens aan dat op die frequenties de geluidsterkte dus vrijwel nul is.)

Grafiek van de geluidssterkte (verticaal) en de frequentie (horizontaal). De verticale lijnen laten het effect van comb filtering zien. Hier is de geluidssterkte bijna nul.

Is het gereflecteerde geluid te sterk of gekleurd, omdat de wand of de vloer een bepaald frequentiegebied sterker terugkaatst dan een ander frequentiegebied, wordt de diepte en breedte van het stereobeeld aangetast. Tevens wordt de precieze plaatsing van de instrumenten minder.

Gereflecteerd geluid dat tussen ca. 4 en 40 ms na het direct ontvangen geluid ons oor bereikt, wordt niet als apart geluid ervaren, mits niet te sterk en niet gekleurd. In het laatste geval lijdt de precisie van de stereoweergave er niet onder en draagt het juist bij tot een algemene indruk van podiumbreedte en 'body' van de weergave. Na 80 ms wordt gereflecteerd geluid ervaren als ruimtelijke bijdrage door de kamer (dus niet de ruimtelijkheid die in de opname zit).

Hoe kleiner de kamer, hoe meer invloed van eerste reflecties
Uit het bovenstaande blijkt dat hoe kleiner de kamer is, hoe meer aandacht aan de eerste reflecties gegeven moet worden. In een kleine ruimte zullen de eerste reflecties van de dichtstbijzijnde zijwanden en achterwand sterk zijn. Tevens zullen deze reflecties al vrij kort na het directe geluid bij de luisteraar aankomen. Met name het kleine tijdsverschil vermindert de indruk van ruimtelijkheid en hiermee de mogelijkheid om een opname gemaakt in een concertzaal goed tot zijn recht te laten komen. Een grote kamer heeft in die zin minder last van korte reflecties, omdat de wanden verder weg zijn.

Wat is de beste aanpak?
In de meeste gevallen is winst te behalen door het verminderen van de eerste reflecties.

De belangrijkste eerste reflecties bij stereoweergave

Hoe langer het duurt voor de eerste reflectie de luisteraar bereikt, hoe groter de ruimtelijke indruk en hoe beter de stereo-afbeelding tot zijn recht komt. Het streven is om deze tijdsduur (de ITDG - Initial Time Delay Gap - het verschil in tijd tussen het directe en gereflecteerde geluid) in een kamer van normale afmetingen tussen 5 en 15 ms te krijgen.

Als de ITDG erg kort is, minder dan 2 ms, ontstaat er onnodig weinig goede ruimtelijke beleving. De opname en de apparatuur geven deze ruimtelijkheid wel weer, maar de kamer voegt er bij de weergave ongewenste tijdselementen aan toe. Hoe korter de ITDG hoe schadelijker. Enkele voorbeelden uit Frank's praktijk, die als eerste zouden moeten worden aangepakt:

Voor- en achterwand
Meestal lopen de voorwand en achterwand parallel. Hierdoor ontstaat een sterke reflectie tussen deze twee wanden en het geluid wordt hiertussen heen en weer gekaatst. Vaak volstaat het om één van deze twee wanden aan te pakken. Als er bijvoorbeeld geluisterd wordt op een bank die tegen de achterwand staat, is de meeste winst te behalen met het plaatsen van een absorberend paneel boven de bank.

Meestal lopen de voorwand en achterwand parallel. Hierdoor ontstaat een sterke reflectie tussen deze twee wanden en het geluid wordt hiertussen heen en weer gekaatst. Vaak volstaat het om één van deze twee wanden aan te pakken. Als er bijvoorbeeld geluisterd wordt op een bank die tegen de achterwand staat, is de meeste winst te behalen met het plaatsen van een absorberend paneel boven de bank.

Geluidsabsorberend paneel voor in de huiskamer, afgestemd op audio-weergave

Omdat we met de oren meestal richting de luidsprekers luisteren, zijn we het meest gevoelig voor geluid uit die richting. Echter in een niet al te grote kamer, zal de eerste reflectie van de achterwand ons als vrij snel na het directe geluid bereiken. Het verminderen van deze reflectie geeft vaak een goede verbetering. Daarbij komt dat geluid, gereflecteerd via de achterwand en daarna via de voorwand 'vermengd' wordt met 'nieuw' geluid van de speakers. Dit geeft allerlei filterings- en plaatsingsproblemen. Ook hier geldt weer: hoe groter de afstand tussen voor- en achterwand en hoe groter de afstand tussen luisterpositie en achterwand, hoe minder van deze problemen.

De vraag is nu hoe ver je wilt gaan. In de meeste gevallen is er veel te verbeteren door het plaatsen van goede absorberende panelen op de voor- of achterwand. In een speciale luisterruimte kan zowel een precieze als ruimtelijke weergave worden bereikt door de voorwand absorberend te maken en de achterwand te voorzien van diffusie. In het laatste geval zal de ruimte ook beduidend groter klinken dan hij in werkelijkheid is. Ideaal dus voor een kleine luister- of home cinema ruimte.

Zijwanden
Eerste reflecties van de onbehandelde zijwanden kunnen in een grote ruimte met zijwanden op vele meters afstand van de luisterpositie, van nature bijdragen tot grotere stereo-podiumbreedte. Echter is het in veel situaties aan te bevelen deze reflecties te verminderen door geluidsabsorptie of diffusie.

De plekken op de wanden waar dit gedaan moet worden kunnen eenvoudig worden gevonden via de spiegelmethode. Als iemand langs de rechter zijwand gaat met een spiegel, zal op een gegeven moment in de spiegel de (tweeter) van de rechter speaker vanuit de luisterpositie zichtbaar zijn. Dat is het reflectiepunt van de rechter speaker op de rechter zijwand. Gaat men verder met de spiegel zal tevens de linker speaker in de spiegel zichtbaar worden. Dat is het reflectiepunt van de linker speaker op de rechter zijwand. Al het bovenstaande geldt omgekeerd ook voor de linker zijwand. In een symmetrische opstelling hebben we dus met 4 punten van reflectie op de zijwanden rekening te houden. Deze punten behandelen met minimaal 60 cm brede elementen.

Met deze 4 reflectiepunten hebben we een interessante mogelijkheid om invloed te hebben op de podiumbreedte en -diepte.

Heeft u last van een breed, maar ondiep podium, dan is het zaak om de alle 4 de reflectiepunten aan te pakken met goede absorberende panelen. Hierdoor neemt overspraak tussen het linker- en rechter kanaal af en precisie en podiumdiepte toe. Kunt u daarentegen wel wat extra podiumbreedte gebruiken en lijkt het alsof u niet op de eerste rij, maar achteraan in de zaal zit, met een podium verder weg, dan helpt het om de reflectiepunten van de dichtstbijzijnde speakers te behandelen met diffusie en de andere 2 reflectiepunten te voorzien van absorptie.

Dit zijn zeer bruikbare aanpassingen, maar zijn wat effect betreft wel afhankelijk van de grootte van de ruimte (eigenlijk de afstand van de luisterpositie tot de zijwanden) en het afstraalgedrag van de luidsprekers. Bijvoorbeeld bij een dipool luidspreker zijn zijwand-reflecties minder van invloed, maar is het zaak om op het naar achteren uitgestraalde geluid te letten.

Plafond
Zoals de zijwanden punten van eerste reflectie kennen, is dat op het plafond ook het geval. In een speciale luister- of home cinema ruimte dient het plafond zeker aangepakt te worden; met een absorberend plafondpaneel of nog beter, met een diffuser zoals de Skyline diffusers (die de storende reflectie verminderen door het geluid in alle richtingen te verstrooien in de ruimte, in plaats van het te absorberen). Dit zijn echter nogal zichtbaar aanwezige aanpassingen en voor de huiskamer vaak niet direct wenselijk.

Rivasono Skyline diffusers

Vloer
Om te voorkomen dat te veel hoge tonen energie verloren gaat in kamerbrede vloerbedekking, zijn de mooiste luisterruimtes voorzien van een harde vloer, in combinatie met een tapijt tussen de speakers en de luisterpositie. Omdat eigenlijk het geluid met frequenties vanaf 250Hz gedempt dient te worden, is een hoogpolig tapijt het beste. Een dunne tapijttegel zal alleen de hogere frequenties dempen; voor middentonen wordt het geluid gereflecteerd als een spiegel.

Trek een denkbeeldige lijn van de luisterpositie naar de speaker en zorg ervoor dat er zich op de lijn in ieder geval geen harde, reflecterende oppervlakken bevinden.

Absorptie of diffusie?
Het verminderen van ongewenste reflecties kan bereikt worden door het geluid te absorberen of te verstrooien in de ruimte (diffusie).In de praktijk is de meeste winst te halen met absorberende panelen, omdat hiermee ook de galm in de ruimte te controleren is (zie het vorige artikel). Daarbij komt dat absorberende panelen er tegenwoordig erg fraai uit kunnen zien en ook in een huiskamer prima passen.

Erg belangrijk is dat het wel goed ontworpen akoestische panelen zijn. Ze dienen gelijkmatig het geluid van alle frequenties vanaf 250Hz te absorberen. Te dunne materialen, zoals gordijnen, werken niet onder 1.000Hz, waardoor er juist een onbalans wordt gecreëerd en er een te dikke midden- en laagweergave kan ontstaan.

Schuimmateriaal of isolatiemateriaal van de bouwmarkt is, zoals de naam al aangeeft, bedoeld voor geluidsisolatie of warmte-isolatie in de wanden. Deze materialen zijn niet ontwikkeld voor ruimte-akoestiek en hebben onregelmatige geluidsabsorptie eigenschappen. Hierdoor zal geluid met de ene frequentie langer in de ruimte verblijven dan geluid met een andere frequentie, met alle problemen voor audioweergave van dien.

Het verstrooien in plaats van het absorberen heeft bepaalde voordelen. De geluidsenergie wordt niet geabsorbeerd, maar blijft behouden en wordt door de diffuser verstrooid in de ruimte. Hierdoor worden vele reflecties naar alle richtingen opgewekt, wat een aangenaam geluid veroorzaakt en waarbij de ruimte groter klinkt dan hij is. Als de kamer er zich toe leent, is diffusie op de achterwand en het plafond aan te raden, eventueel ook op de punten van eerste reflectie op de zijwanden. Ook hier geldt: let op goede producten. Echte diffusers zijn niet van schuimstof, maar van hard materiaal en hebben voldoende diepte om ook geluid van lagere frequenties gelijkmatig te verstrooien.

Diffusie is ook deels op te wekken door het afwisselen van absorberende en reflecterende oppervlakken. Hierdoor wordt het wavefront gebroken. Dit adviseert Frank vaak in luisterruimtes. Als je daar een aantal absorberende panelen met 30 cm breedte en bijvoorbeeld 180 cm hoogte en deze op een afstand van 30 cm van elkaar ophangt, werkt dit erg goed. Op de tegenoverliggende wand hetzelfde, waarbij de panelen versprongen zijn, zodat er geen paneel recht tegenover het andere hangt.

Afwisseling van smalle absorberende panelen met reflecterende zijwand

Ten slotte
Deze serie van 3 artikelen is gebaseerd op kennis en ervaring vanuit de praktijk bij Rivasono, die Frank graag met u wilde delen. Hij hoopt dat u er iets bruikbaars heeft kunnen uithalen. Rivasono heeft 'ideaal-modellen' ontwikkeld voor optimale audio in de huiskamer, luisterruimte, home cinema en studio. Op basis van de maten en inrichting van de ruimte Rivasono berekenen en aangeven welke winst te behalen is en in welke volgorde dit gerealiseerd kan worden. Afhankelijk van uw wensen kan dit samen met u geheel of gedeeltelijk gerealiseerd worden.

Extra tips en informatie en de andere artikelen uit deze serie vindt u hier en hier.

Slot (ga terug naar deel 1 / deel 2)

index