Einem Chorkonzert in der Westminster Abbey oder einem Orchester von Weltrang im großen Saal der Elbphilharmonie zuhören – für viele Musikfans sind Konzerte an Spielorten mit herausragender Raumakustik begehrte Reiseziele. Denn der Hörgenuss, den diese ermöglichen, ließ sich bisher ausschließlich live vor Ort erleben – einen entsprechenden Sitzplatz und ein ruhiges Publikum vorausgesetzt. Zwar bieten CD, Digitalradio und Streamingdienste eine Fülle qualitativ hochwertiger Einspielungen solcher musikalischen Highlights, beim Abspielen erlebt der Zuhörer dennoch in der Regel eher den Höreindruck eines Zaungastes als eines Besuchers, der beispielsweise beim Chorkonzert unmittelbar in einer bestimmten Kathedrale sitzt. Denn um den Raumklang immersiv erleben zu können, reicht es nicht, die Stimmen der Sänger und die Halleffekte des Raumes als Audiosignal einzufangen und über die Lautsprecher wiederzugeben.

Elemente des Klangs

»Damit ein Höreindruck wie live entsteht, müssen drei Schallelemente, die beim Raumklang zusammenwirken, von allen Seiten und in der gleichen Intensität wie im Originalraum auf das Ohr des Zuhörers treffen«, erklärt Oliver Hellmuth vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS. Drei Schallelemente, das sind der Direktschall, die sogenannten »frühen Reflexionen« und der Nachhall. Der Direktschall umfasst all die Klanganteile, die auf direktem Weg von der Bühne zu den Zuhörern gelangen. Zusätzlich reflektieren diese Schallwellen aber an den Wänden und der Decke des Raumes. Sie erreichen dann über einen kurzen Umweg als frühe Reflexionen die Konzertbesucher. Hinzu kommt, als drittes Element, der meist mehrfach abgelenkte Schall. Die Reflexionen und der Nachhall sind dabei für jeden Raum einzigartig und ein bedeutendes Charakteristikum für das Hörererlebnis in einem Konzertsaal.

Semantische Audioanalyse macht Klangwirkungen steuerbar

Hellmuth und sein Team haben mit »Fraunhofer Symphoria« eine Methode entwickelt, wie selbst aus einem fertig abgemischten Audiosignal jedes dieser drei elementaren Schallelemente ausgelesen und »interpretiert« werden kann. Die Vorgehensweise ist vergleichbar mit der semantischen Analyse von Texten. Doch während bei der Textanalyse Wörter und Sinnverknüpfungen die Grundlage für eine Untersuchung bilden, sind es nun im Analysesystem hinterlegte Vergleichsmuster und die Klangspezifika der verschiedenen Schallelemente. »Durch einen intelligent gesteuerten Vergleich der Aufnahme mit den Referenzklängen und spezifischen Bearbeitungsroutinen schaffen wir es, dass die von uns entwickelten Algorithmen das Audiosignal in Echtzeit in die drei Raumklangelemente aufsplitten«, sagt Hellmuth.

Fahrzeuginnenraum als perfekte Klangbühne

Das Problem dabei ist allerdings, dass die Forscher damit nur das Kernproblem gelöst haben, das einer konzertraumgleichen Live-Wiedergabe im Weg steht. Was nun aber noch fehlt ist eine Bühne für Symphoria, auf der sich die separierten Klangelemente auch saalgetreu wiedergeben lassen. Ideale Bedingungen dafür gewährleistet ein abgeschlossener, genau definierter Raum wie der Innenbereich eines Fahrzeugs. Und er bietet noch weitere Vorteile. So ist es bei Armaturenbrett, Verkleidungen und Dachhimmel vergleichsweise einfach, die erforderliche Anzahl an Lautsprechern einzubauen. Vier Boxen sind dabei das Minimum. Eine optimale Klangkulisse erfordert Sets mit bis zu zehn Lautsprechern und mehr. Außerdem sind im Auto auch die Sitzplätze und somit die Position der Zuhörer vorgegeben. »Unsere Soundexperten brauchen die Software also nur einmal so zu kalibrieren, dass Symphoria im Bereich der Sitzplätze den optimalen Raumklang erzeugt«, erklärt Hellmuth.

Mischalgorithmen für die fahrzeugoptimierte Audiowiedergabe

Für diese fahrzeugindividuelle Feineinstellung verwenden die Fraunhofer Soundspezialisten ein Referenzset mit Musik verschiedener Stilrichtungen von Klassik über Jazz bis Pop und Rock. In Versuchsreihen ermitteln sie, wie die Klangelemente optimal auf die einzelnen Lautsprecher im Fahrzeug verteilt und in der Lautstärke aufeinander abgestimmt werden. Diese einmal bestimmten Werte nutzt der intelligente Wiedergabemischer von Symphoria, um für jedes Musikstück die optimale Klangeinspielung zu gewährleisten. Diese aufwendige Prozedur sei zwar notwendig, muss jedoch nicht für jedes einzelne Auto erfolgen, sondern nur einmal pro Fahrzeugmodell. Ungleich schwieriger wäre es dagegen, das System in einem privaten Wohnzimmer zu installieren. Denn im Gegensatz zu einem Fahrzeugmodell sind hier Grundriss, Einrichtung, die Möglichkeiten zum Aufstellen der Lautsprecher bis hin zu den Sitzpositionen in jeder Wohnung anders. Und sie können sich jederzeit wieder verändern.

Enge Zusammenarbeit mit den Fahrzeug- und Soundsystemherstellern

Das erste serienmäßig mit Symphoria ausgestattete Fahrzeug war 2014 der Audi TT Coupé. Hier analysiert ein Prozessor über ein Mikrofon zusätzlich Störgeräusche, um das Klangbild zu optimieren. Der Verstärker verteilt die getrennten Audio-Objekte im Innenraum des Autos und steuert dabei ein Dutzend Bang & Olufsen-Lautsprecher inklusive zwei Centerspeakern und zwei gekapselten Bassboxen in den Türen an. Inzwischen bieten eine Reihe von Fahrzeugmodellen von Audi, Mercedes und Lamborghini den Hörgenuss mit virtuellem Raumklang made bei Fraunhofer. Die Soundspezialisten des Fraunhofer IIS arbeiten dabei eng mit den Ingenieuren und Technikern der Fahrzeugentwickler und den Herstellern von Soundsystemen zusammen. Sie übernehmen dabei nicht nur die Abstimmung ihrer Software auf den spezifischen Fahrzeuginnenraum. Vielmehr entwickeln sie dabei auch neue, spezielle Lösungen. Ein Beispiel hierfür ist die Lautsprecherverteilung im kompakten Audi A1. Sie ermöglicht es, die Windschutzscheibe als akustisch-reflektierende Fläche zu nutzen und wird damit auch zum Teil des Klangkörpers für den neuartigen Symphoria Raumklang.

(stw)