Nachhall

Der Ausdruck Nachhall (englisch: reverberation) oder umgangssprachlich kurz Hall (englisch: reverb) bezeichnet im Unterschied zum Echo kontinuierliche Reflexionen von Schallwellen (Schallreflexionen) in einem geschlossenen Raum oder in einem natürlich begrenzten Bereich.

Nachhall spielt auch bei Aktiv-Sonar eine große Rolle. Dieses wird unter Wasserschall behandelt.

Darstellung des Zustandekommens der verschiedenen Halltypen. – rot:Direktschall; grün: kurze Reflexionen (Raumschall); blau: Nachhall

Allgemein

Von einer Quelle ausgesendeter Schall wird von verschiedenen Flächen in Abhängigkeit von deren Oberflächenbeschaffenheit reflektiert. Glatte, schallharte Flächen werfen den Schall ähnlich zurück, wie ein Spiegel das Licht. Dabei ist der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel (Reflexionswinkel). Bei rauen Strukturen hingegen erfolgt der Rückwurf in viele Richtungen. Je rauer ein Material ist, desto diffuser wirft es diesen Schall wieder zurück. Dieser Reflexionsgrad ist frequenzabhängig und von der Beschaffenheit des Materials abhängig. Hartes Material absorbiert die Schallwellen kaum, weiches dagegen stärker. In großen Räumen ohne Absorptionsflächen wie Kirchen, Schwimmhallen oder großen Höhlen lässt sich Nachhall gut beobachten, falls keine zusätzlichen Maßnahmen zur Absorption getroffen wurden.

Nachhall entsteht als Folge wiederholter Schallreflexionen, die mit der Zeit schwächer werden. Die Abschwächung wird zum einen dadurch verursacht, dass bei jeder Reflexion ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt wird (da kein Material ideal schallhart ist) und zum anderen daher, dass die Ausbreitung des Schalls in der Luft verlustbehaftet ist (da die Schwingung der Luftpartikel Reibung erzeugt). Die Zeit, in welcher der Schalldruckpegel nach einem plötzlichen Verstummen der Schallquelle um 60 dB abnimmt, heißt Nachhallzeit T₆₀, im Englischen häufiger als RT bezeichnet (reverberation time). Eine Abnahme um 60 dB entspricht einer Abnahme des Schalldrucks auf ein Tausendstel des Anfangswertes. Die Nachhallzeit und ihre Abhängigkeit von der Frequenz liefern wichtige Informationen zur Hörsamkeit eines Raumes und seiner Eignung für Sprach- und Musikdarbietungen.

Die Sprachverständlichkeit leidet stark, wenn ein Raum zu viel Nachhall hat; je kürzer die Nachhallzeit, desto besser.

Das Entfernen von Nachhall aus einem Sprachsignal bezeichnet man als Enthallung und kommt in der Signalverarbeitung zum Einsatz..

Für Musik dagegen ist Nachhall in gewissem Umfang erwünscht, da die Musik in einem zu „trockenen“ Raum unnatürlich klingt und zudem Ungenauigkeiten im Spiel zu gut hörbar sind. Für Kammermusik wird eine Nachhallzeit von etwa 1,2 bis 1,6 s erwünscht, für Orchestermusik 1,7 bis 2,2 s, für Orgelmusik noch wesentlich mehr.

Hallradius

Befindet sich der Hörer in einem Raum nahe bei der Schallquelle, so überwiegt der Direktschall gegenüber dem indirekten Schall. Als indirekter Schall wird Schall bezeichnet, der den Hörer nur über Reflexionen erreicht. Direktschall erreicht den Hörer dagegen auf direktem Wege, ohne Umwege über Reflexionen. Nachhall gehört also zum indirekten Schall.

Da der Direktschall mit zunehmender Entfernung von der Schallquelle schwächer wird (etwa um 6 dB bei Abstandsverdopplung), der diffuse Schall (die Summe an Reflexionen) dagegen im gesamten Raum etwa konstant bleibt, lässt sich ein Abstand von der Schallquelle angeben, bei dem beide Anteile gleich stark sind. Dieser Abstand wird Hallradius r_H genannt und berechnet sich über die Sabinesche Näherungsformel:

$r_\mathrm{H} \approx 0{,}057 \cdot \sqrt \frac{V}{T_{60}}$

mit

Hallradius r_H in m

Raumvolumen V in m³

Nachhallzeit T₆₀ in s

Künstlicher Nachhall

Effektgeräte, die einen „künstlichen“ Nachhall erzeugen, können zwei Aufgaben erfüllen:

• Erzeugung eines natürlich erscheinenden Raumeffekts,
• Erzeugung eines künstlichen Nachhalleffekts, den es in der Natur so nicht gibt.

Bei der Erzeugung eines künstlichen Raumeffekts wird ein Signal so verändert, dass der Zuhörer meint, das Signal sei in einer bestimmten Räumlichkeit (ambience) entstanden und nicht im trockenen Tonstudio. Liegen mehrere Signale vor, so wird nur selten jedes einzelne mit dem genau gleichen Hall-Effekt bearbeitet, da sich sonst nicht der Eindruck räumlicher Tiefe vor dem Zuhörer einstellen würde. Eine so genannte Tiefenstaffelung erreicht man vor allem dadurch, mit verschiedenen Nachhallzeiten, -intensitäten und -charakteristika die einzelnen Signale weiter vorne oder hinten in einer Produktion zu platzieren.

Einflussfaktoren

Eigenschaften, die den Raumeindruck des Nachhalls beeinflussen, sind:

• Anteil des Direktschalls am Schalldruckpegel;
• Anteil der frühen Reflexionen am Schalldruckpegel, sowie deren räumliche Verteilung und zeitlicher Verlauf;
• Anteil des „Nachhallausklangs“ am Schalldruckpegel, sowie dessen räumliche Verteilung und zeitlicher Verlauf.

Bei Hallgeräten ist die Vorverzögerung (englisch Pre-Delay) von besonderer Bedeutung. Das ist der zeitliche Abstand zwischen Direktschall und der ersten Reflexion, was mit Anfangszeitlücke oder ITDG = Initial Time Delay Gap bezeichnet wird. Hierdurch kann die Position einer Schallquelle im Raum nachgebildet werden.

Soll aus künstlerischen oder geschmacklichen Gründen ein Signal eine besondere Note bekommen, dann wählt man den künstlichen Nachhalleffekt. Um das Signal klanglich besonders hervorzuheben, wird dem Signal ein Effekt beigemischt, der dem natürlichen Nachhall nicht entspricht, etwa bei einer Gesangsstimme.

Typen von Nachhallgeräten

Früher wurden Nachhall-Effekte in eigenen Hallräumen (aber nicht zu Forschungszwecken wie im gleichnamigen Artikel, sondern zu Produktionszwecken) erzeugt. Danach setzte man Metallfedern als Federhall oder als Hammond-Spiralen ein, die zusätzliche verzögerte Schwingungen hinzufügten. Später kamen Hallplatten aus Stahl (EMT-Nachhallplatte 1 m × 2 m) und Goldfolienhall zum Einsatz.

Heute werden Nachhalleffekte durch digitale Effekt-Prozessoren hergestellt. Komplizierte Algorithmen erzeugen diesen akustischen Effekt. Dabei lassen sich die verschiedenen Attribute wie etwa Nachhallzeit, Vorverzögerung, Frequenzgang der diffusen Hallfahne, Diffusität, Raumgeometrie in Echtzeit verändern. Die Technik ist heute weit fortgeschritten und ermöglicht, bestimmte in der Realität vorhandene Räume im Nachhallverhalten recht gut nachzubilden.

Raumimpulsantwort (Beispiel)

Noch besser gelingt dieses durch eine recht neue Art der Hallerzeugung. Dabei wird die Raumimpulsantwort abgespeichert, sozusagen ein „Fingerabdruck“ der akustischen Eigenschaften eines realen Raumes. Mit diesem Fingerabdruck können nun beliebige akustische Signale versehen werden. Diese Form der Hallerzeugung nennt man auch Faltungshall, da bei der Signalerzeugung die mathematische Operation der Faltung verwendet wird.
Diese Technik ist nicht allein auf das Simulieren von Räumen beschränkt, vielmehr kann jedes lineare, zeitinvariante akustische System simuliert werden, also auch Geräte wie Mikrofone.

Grob amplitudenmäßig simulierte Impulsantworten im WAV-Format sind frei und im Internet erhältlich.

Weblinks

• Wo liegt die Echoschwelle (Echo-Wahrnehmungsschwelle) bei Stereo? (PDF-Datei; 121 kB)
• Berechnung der Nachhallzeit RT 60 nach Sabine
• Frequenzabhängige Nachhallzeit und frequenzabhängiger Nachhallpegel (PDF-Datei; 263 kB)
• Datenbank von gemessenen (binauralen) Raumimpulsantworten (englisch)