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G. Becker:
"The sound of space - zur Beurteilung akustischer Qualität architektonischer Räume mittels Auralisation";
Supervisor: A. Mahdavi; Institut für Architekturwissenschaften, Abteilung für Bauphysik und Bauökologie, 2004; final examination: 2004-11-23.

Scientific simulation of acoustical conditions in architectural spaces has been used in the past to generate numeric values of acoustical performance indicators. Such indicators include, for example, sound pressure level and reverbation time. Designers and consultants typically compare such numeric results with minimum or maximum requirements in relevant room acoustics and noise control standards to decide if a particular design meets mandated performance criteria. Recently, the possibility has emerged that such traditional numeric evaluation methods could be complemented by approaches that rely on scientific auralization tools, enabling the users to virtually experience and "directly" evaluate the acoustical quality of architectural spaces.

In this context, an important research question aarises: To which extent can subjective assessments of the acoustical properties of a real space be reproduced by assessments that are based on auralization (i.e. virtual acoustical replacements of real spaces)? To adress this research question empirically, we describe a test, which involved the following steps:

i. Based on the results of previous research and our own studies, we selected a metric that captures certain subjective dimensions of the acoustical experience of spaces;

ii. We selected three spaces with different functional and acoustical characteristics (a representative reception hall, a mid-size lecture room, and a small size recording studio). These spaces were evaluated by a group of test participants (using the above-mentioned acoustical quality metric) while a pre-recorded sequence of acoustical events (including various sounds, speech and music) was beeing acoustically irradiated in the space;

iii. High-quality auralizations of the spaces were generated using an advanced simulation tool and the aforementioned pre-recorded sequenze of acoustical events. The underlying simulation model was tested and calibrated in view of its numeric reproduction of measured sound distribution pattern and reverbation times;

iv. The auralizations were presented to and evaluated by a second (demographically similar) group of test participants, who again made use of the same acoustical quality metric;

v. The acoustical quality assessments of the real spaces were compared with those of the computational auralizations to empirically determine the degree to which such auralization can represent real spaces toward evaluating the acoustical quality of architectural designs.

In den letzten zwei Jahrzehnten sind die technisch- wissenschaftlichen Methoden der Raumakustik verbessert und wesentlich erweitert worden. In den 80er Jahren wurden die ersten Raumsimulationsprogramme entwickelt, die heite zunehmend von Architekten und bautechnischen Beratungsbüros in der Bauplanung eingesetzt werden, um die akustischen Qualitäten eines Raumes, etwa eines Konzertsaales, vorherzusagen. Noch ist allerdings keine Software in der Lage, einen gut ausgebildeten und erfahrenen Akustiker zu ersetzen.

Die Physikalisch-Technsiche Budnesanstalt Braunschweig hatte als neutrale und unabhängige Fachinstitution 1994 den ersten internationalen Ringvergleich "Round Robin1" gestartet, um zu erfahren, wie stark die mit Raumsimulationsprogrammen berechneten akustischen Parameter von den an realen Objekten gemessenen abweichen. Mittlerweile ist "Round Robin 3" abgeschlossen, und die Ergebnisse, die anfangs sehr stark von einander abwichen, sind schon viel besser ausgefallen (Bork 2002).

Auch die Auralisation stellt beim Vergleich von Raumsimulationssoftware ein wichtiges Qualitätskriterium dar.

"Die Auralisation (Hörbarmachung) von Schallfeldern ist in der Raumakustik mittlerweile etabliert. Musik oder Sprache, aufgezeichnet in einem reflektionsarmen Raum, wird digitalisiert und mit der simulierten Raumimpulsantwort des Hörerplatzes über die mathematische Faltungsoperation miteinander verknüpft" (Thaden und Vorländer 2002).

Durch die Auralisation besteht die Möglichkeit bereits in der Planungsphase eines Raumes einen Eindruck von dessen akustischer Qualität zu bekommen, oder nicht mehr bestehende historische Räume hörbar zu amchen (Freudhofer 2004).

Hersteller von Raumsimulationsprogrammen bieten auf ihren Internetseiten die Möglichkeit an, Audiofiles von Simulationsergebnissen durch Auralisation mit Aufnahmen aus dem gebauten Ruam zu vergleichen (Rindel 2004).

"Der Einfluss einer Baumassnahme lässt sich durch die direkte Darbietung des resultierenden Schallfeldes viel anschaulicher vermitteln als durch die Angabe akustischer Kenngrößen (Nachhallzeit, Seitenschallgrad, etc...)" (Eggenschwiler 2000).

Die Direktbeurteilung der Akustik anahnd von Simulationsergebnissen durch Auralisation versus Akustik im gebauten Raum habe ich zum Thema meiner Arbeit gemacht, und folgende Frage aufgestellt:
In welchem Umfang können subjektive Einschätzungen der akustischen Eigenschaften eines realen Raumes durch Auralisation von Simulationsergebnissen reproduziert werden?

Die Forschung nach subjektiven Kriterien der Raumakustik beginnt erst nach dem Zweiten Weltkrieg. Einer der ersten Methoden war es Zuhörer einer Darbietung zu bitten, den subjektiven Eindruck der Akustik eines Raumes oder der Halle mündlich zu berichten. Diese Methode wurde von Beranek (1962) verwendet, der seine Arbeit durch Interviews mit Musikern und Musikkritikern machte. Hawkes und Douglas (1971) und Wilkens (1977) verwendeten für ihre Studien erstmals sematische Differentiale (z.B. laut-leise). Aufgrund dieser Adjektivpaare waren bessere statistische Analysen möglich (Rasch und Plomp 1982).

Fasold und Winkler beschäftigten sich in den 70er Jahren ebenfalls mit subjektiver Beurteilung von Akustik, wobei sie bei ihrem "Testprotokloll zur subjektiv-akustischen Beurteilung eines Saales" bipolare semantische Differentiale verwenden.Sie gehen davon aus, dass bei subjektiven Kriterien eine Einteilung in höchstens 5 Stufen sinnvoll ist (Fasold und Winkler 1976).

Die 1996 erschienene Studie "Acoustic Quality of Theatres: Correlation between experimanetal Measurements and subjective Evaluations" (Cocchi et al. 1996) untersucht den Zusammenhang zwischen akustisch messbaren Größen und subjektiven Aspekten der Wahrnehmung in gebauten Räumen. Das Ergebnis dieser Studie zeigt, dass Übereinstimmungen vorhanden sind, wobei nicht alle subjektiven Aspekte gleich gut mit architektonsichen kenngrößen korrelieren.

Um den Umfang der subjektiven Eisnchätzungen der akustischen Eigenschaften eines realen Raumes durch Auralisation von Simulationsergebnissen untersuchen zu können, bedarf es einer empirischen Untersuchung mit klarer Zielsetzung und Vorgehensweisen.

Zielsetzung und Vorgangsweise

Ziel des Experiments ist es anhand empirischer Erhebungen herauszufinden, ob bzw. wie weit subjektive Beurteilungen der Akustik in realen Räumen, mit computerunterstützten simulierten Räumen übereinstimmen.

Die Studie wurde in Anlehnung der von Mahdavi und Eissa (2002) vorgezeigten Methodik durchgeführt und beinhaltet folgende Schritte:
a. Ausgehend von einer vorhergehenden Analyse wurden raumakustische Merkmale aus-gewählt, die anhand subjektiver zweipologer Adjektivpaare defineirt werden können.
b. Ausarbeitung eines Silbenverständlichkeitstest mit Logatomen (Logatome sind einsilbige Wörter, die aus Konsonatn-Vokal-Konsonant gebildet werden, z.B. sar).
c. Erstellung eines monophonen Hörbeispiels aus Sprache, Musik, Geräuschen und Logatomen.
d. Drei Räume mit unterschiedlichen raumakustischen Kenngrößen wurden für die empirische Untersuchung herangezogen (Festsaal der TU-Wien, Hörsaal 15 der TU Wien, Sprecherkabine des Radiosenders "Hitradio Ö3").
e. Bewertung der akustischen Eigenschaften der realen Räume durch eine Gruppe von Architekturstudenten, anhand des erstellten Hörbeispiels und den subjektiven raumakustischen Kriterien.
f. Mit Hilfe eines Raumsimulationsprogrammes wurden die realen Räume modelliert, anhand der gemessenen Nachhallzeit kalibriert und eine Auralisation mit dem selben Hörbeispiel durchgeführt.
g. Eine weitere Gruppe von Studenten beurteil anhand des selben Fragebogens, die durch Auralisation erstellten Audio-Files mittels Kopfhörer.
h. Die Ergebnisse der Erhebung der subjektiven raumakustischen Kriterien in realen Räumen werden mit Simulationen von Räumen durch Auralisation verglichen, um festzustellen wie weit Simulationen von Räumen gebaute Räume bei der raumakustischen Beurteilung ersetzen können.

Die angeführten Schritte möchte ich im Folgenden näher abhandeln

Becker, Mahdavi, Auralisation, Bauphysik Bauökologie