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Während sich der Klanggenuss in den eigenen vier Wänden meist auf Stereofonie beschränkt, erwartet man von Kinos, Theatern und Installationen heute weitaus mehr: ein aufregendes, dreidimensionales, immersives Klangerlebnis, das den Hörer förmlich einhüllt. Gängige 3D-Audio-Verfahren haben jedoch häufig den Nachteil, dass die optimale Hörposition eng begrenzt ist. Außerhalb dieses „Sweet Spots“ wirkt die Wiedergabe diffus; die Lokalisationsschärfe leidet.

Eine Lösung verspricht die SpatialSound Wave Technologie, entwickelt vom Fraunhofer- Institut für Digitale Medientechnologie IDMT, die realistischen 3D-Sound im ganzen Raum erfahrbar macht. Am Standort Ilmenau in Thüringen wurde nun ein neuer Hörraum mit Referenzcharakter eingerichtet – ausgestattet mit Neumann-Lautsprechern. Ein willkommener Anlass, uns einen Eindruck zu verschaffen.

Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT in Ilmenau, wo die SpatialSound Wave Technologie entwickelt wurde.

Messerscharfer 3D-Sound

Die Zentrale des SpatialSound Wave Systems bildet ein Windows-Rechner mit professionellem Audio-Interface (MADI oder Dante) und natürlich der hier entwickelten Software, die es erlaubt, Audioobjekte als virtuelle Schallquellen frei im Raum zu positionieren. Das Wiedergabesystem des neuen Hörraums besteht aus 30 Stück Neumann KH 310 A Aktiv-Monitoren. Etwa die Hälfte der Lautsprecher ist auf Ohrhöhe rund um den Arbeitsplatz positioniert, die übrigen hängen von der Decke. Die Basswiedergabe unterstützen vier KH 805 Subwoofer in den Raumecken.

Die Wiedergabeeigenschaften des Systems sind atemberaubend: Die Lokalisation virtueller Schallquellen ist messerscharf, sogar weit außerhalb der zentralen Hörposition. Das Klangbild bleibt stabil, der Gesamteindruck ungetrübt. Fast wie in einer echten akustischen Umgebung kann man sich frei im Raum bewegen und auf Schallquellen zugehen, um sie lauter zu hören; die Pegelverhältnisse ändern sich auf natürliche Weise. Solche Wiedergabeeigenschaften waren bislang nur mit der Wellenfeldsynthese möglich, einem extrem aufwendigen Verfahren, das aufgrund seiner immensen Kosten außerhalb der Forschung kaum Verbreitung fand.

Christoph Sladeczek am 3D-Panner der Spatial SoundWave Software.

Christoph Sladeczek, Gruppenleiter Virtual Acoustics, erklärt: „Bei der Wellenfeldsynthese möchte man durch sehr viele Lautsprecher die physikalische Wellenfront korrekt reproduzieren. Dafür müsste man in diesem Raum etwa 90 Lautsprecher installieren. De facto gibt es aber keine Anwendungsfälle, wo man bereit ist, so viel Geld auszugeben. Deshalb haben wir das Verfahren weiterentwickelt, sodass wir weniger Lautsprecher verwenden können. Eigentlich kämen wir sogar mit noch weniger Lautsprechern aus als hier verbaut sind.“

Dr.-Ing. Daniel Beer, Gruppenleiter Electroacoustics, ergänzt: „Die Intelligenz liegt im Algorithmus, wie die Lautsprecher angesteuert werden. Ursprünglich basierte das SpatialSound Wave Verfahren auf der Wellenfeldsynthese, bei der die Lautsprecher so angesteuert wurden, dass die Überlagerung der Einzelsignale das Schallfeld reproduziert. In den letzten Jahren ist aber sehr viel Psychoakustik eingeflossen. Die Algorithmik wurde dahingehend verändert, dass die Reproduktion des Schallfelds zwar nicht mehr physikalisch korrekt ist, nun aber größere Lautsprecherabstände realisierbar macht.“

Dr.-Ing. Daniel Beer, Gruppenleiter Electroacoustics, (rechts) mit Christoph Sladeczek, Gruppenleiter Virtual Acoustics (links) im neuen Hörraum des Fraunhofer IDMT in Ilmenau.

SpatialSound Wave arbeitet objektbasiert und eignet sich ideal für diskrete Audiospuren; es können aber auch Stereo- und Surround-Formate verarbeitet werden, indem man in der Software virtuelle Lautsprecher definiert. Dabei ist das System verblüffend einfach zu handhaben. Über das grafische 3D-Autorenwerkzeug lassen sich Schallquellen per Maus oder Tablet frei positionieren oder gar durch den Raum fliegen. Und das klangkonstant, sodass der Toningenieur sich ganz auf die kreative Gestaltung konzentrieren kann.

„Wir machen die Erfahrung, dass Leute, die hierher kommen, sich nach einer Viertelstunde zurecht finden und gleich loslegen können“, bestätigt Christoph Sladeczek. „Früher musste man für eine Installation 20 Lautsprecher händisch pannen, und wenn die Installation in ein anderes Gebäude umzog oder auf Tour ging, musste alles neu gemischt werden – auch weil man vielleicht nicht dieselbe Anzahl an Lautsprechern positionieren konnte. Das ist hier nicht mehr nötig. Ich mache eine Mischung, und die wird immer perfekt wiedergegeben.“

Anders als übliche Surround-Formate wie 5.1 oder 9.1, ist das Ausgabeformat nicht kanalbezogen, sondern unabhängig von der jeweiligen Lautsprecherinstallation. Das SpatialSound Wave Dateiformat bündelt Objekt- und Metadaten, d. h. die zu verarbeitenden Klänge und Positionierungsanweisungen. Lautsprechersignale werden erst über den 3D-Renderer generiert, der automatisch für eine optimale Wiedergabe auf dem jeweiligen System sorgt. So kann eine Mischung auf einem kleineren System erstellt und später über eine größere Lautsprecherinstallation abgespielt werden; die Größe der Szene lässt sich nachträglich über die Metadaten-Skalierung anpassen. Da das SpatialSound Wave System in Echtzeit arbeitet, kann es Live-Input verarbeiten.

3D-Mischungen, die im neuen Hörraum des Fraunhofer IDMT erstellt werden, lassen sich genauso in größeren Installationen abspielen lassen, z. B. in Planetarien oder Theatern.

Anwendungsgebiete

Das Hauptanwendungsfeld von SpatialSound Wave sind Theater, Installationen und Planetarien. Zur Kundenliste gehören das Opernhaus Zürich, die Staatsoper Berlin und das Zeiss Planetarium in Jena.

„Mit einem solchen System kann man auch inhaltlich ganz neue Dinge vermitteln“, erklärt Christoph Sladeczek. „Die Oper Zürich hatte 2016 eine interessante Inszenierung von Verdis Messa da Requiem. Der Vorhang geht auf, und man sieht jemanden, der im Bett liegt und Stimmen hört. Zuvor hatte der Toningenieur Orchesterinstrumente falsch einspielen lassen, und für die Aufführung wurden diese nun dreidimensional im Opernhaus positioniert. Plötzlich ist Theater nicht mehr nur das, was vor mir auf der Bühne passiert, sondern ich werde selbst zu dem, der sich dort im Bett wälzt, weil er die Stimmen nicht mehr los wird. Das war ein echter Gänsehaut-Moment!“

Darüber hinaus bietet das System noch einen zusätzlichen Nutzen, erklärt Daniel Beer: „Gerade für Theater ist interessant, dass derselbe Rechner der Audioobjekte dreidimensional positionierbar macht, auch zur Raumsimulation genutzt werden kann. Damit lässt sich der Nachhall des Raums verlängern. Dabei handelt es sich um ein regeneratives Raumsimulationssystem; d. h. oben gibt es Mikrofone, die alles, was im Raum passiert, aufzeichnen. Deren Signale werden dann künstlich verhallt, um die Saalakustik beispielsweise dem Musikgenre anzupassen. Denn Sprechtheater verlangt ja nach einer anderen Nachhallzeit als ein Sinfoniekonzert. Der große Vorteil ist, dass die vorhandene Akustik aufgegriffen und getunt wird. Es wird also nicht irgendein fremder Saal dem vorhandenen aufgeprägt. Man kann sich auch frei im Raum bewegen, ohne dass der Klangeindruck künstlich wirkt. Für solche Anwendungen gibt es zwar auch Lösungen von anderen Anbietern, aber der Vorteil hier ist, dass derselbe Rechner und dieselbe Lautsprecherinstallation für beides genutzt werden kann, Raumsimulation und 3D-Audio-Wiedergabe.“

Im neuen Hörraum des Fraunhofer IDMT sind 30 Stück Neumann KH 310 Aktivlautsprecher verbaut, die von vier Neumann KH 805 Subwoofern in den Raumecken unterstützt werden.

Die richtigen Lautsprecher

Bei der Auswahl der richtigen Lautsprecher für den neuen Hörraum, hat man es sich nicht leicht gemacht. Obwohl in einem anderen Referenzraum bereits ein O 500 System erfolgreich im Einsatz ist, waren Neumann-Lautsprecher keineswegs „gesetzt“, sondern es wurden Modelle vieler Hersteller einem aufwendigen Vergleichstest unterzogen.

Christoph Sladeczek: „Es wurden klassische Hörtest-Methoden angewandt. Wir haben fünfzehn Stereopaare mit unserem Referenzsystem [Klein & Hummel O 500] verglichen. Alle Systeme wurden auf den Raum eingemessen und die Pegel präzise angeglichen. Wir haben dann eine Testprozedur vorbereitet, in der von fünfzehn Probanden verschiedene Parameter bewertet wurden, die wir später statistisch ausgewertet haben.“

„Wichtig war uns eine neutrale Wiedergabe, die auch bei hohen Pegeln stressfrei bleibt“, ergänzt Daniel Beer. „Wir haben viele Lautsprecher von verschiedenen Herstellern verglichen. Im ersten Durchlauf haben wir kleinere Modelle getestet, u. a. auch die Neumann KH 120. Aber bei den Pegeln, die manchmal erforderlich sind, wenn man eine Quelle nur auf einen Lautsprecher setzt, kamen sie im Bassbereich an ihre Grenzen. Das war bei anderen Lautsprechern dieser Größenordnung ähnlich. Klang und Preis der KH 120 hätten uns gefallen, aber der Pegel hat für unsere Anwendungen nicht ausgereicht.“ So kam es zu einer zweiten Testreihe verschiedener Lautsprecher der nächsthöheren Größenklasse, in der erneut Neumann überzeugte. „Übrig blieben am Schluss die Neumann KH 310 und ein Modell von einem bekannten Mitbewerber. Das am Ende ausschlaggebende Argument für Neumann war, dass der Hochtonbereich besser gefiel.“

Ein extrem wichtiges Kriterium für Mehrkanalsysteme ist darüber hinaus die Abbildung von Phantomschallquellen. „Neben Klang und Pegelfestigkeit hat bei der KH 310 auch die Schärfe der Abbildung überzeugt“, so Daniel Beer. Eine nicht zu unterschätzende Rolle spielt dabei die hohe Produktkonstanz: „Wir haben später bei der Installation die einzelnen Lautsprecher nachgemessen und konnten feststellen, dass die Frequenzgangabweichungen unter 1 dB lagen. Das erwartet man natürlich, denn davon geht unsere grundlegende Theorie des Mehrkanals ja aus: Ich habe Kanäle, die in sich selbst linearisiert alle gleich sind, und dann mache ich mit meinem Processing das, was ich wirklich will, um die Quelle wie gewünscht darzustellen. Was ich nicht erwarte, ist, dass die einzelnen Lautsprecher zuerst einmal angeglichen werden müssen. Das gibt es leider auch. Wir erwarten aber, dass wir uns stress- und sorgenfrei auf das konzentrieren können, was wir eigentlich machen wollen.“

Genau das ist die Philosophie der Neumann-Monitorlautsprecher: höchste Präzision und Linearität für eine verlässliche, unverfälschte Wiedergabe. Das Ergebnis spricht für sich selbst: SpatialSound Wave im neuen Hörraum des Fraunhofer IDMT in Ilmenau klingt absolut beeindruckend!

Neumann KH 805 Subwoofer in den Raumecken unterstützen die Basswiedergabe.