Start

Akoestiek: een basis (deel 1)

Studio akoestiek en het verbeteren daarvan blijft één van de meest lastige en tegelijk enorm belangrijke onderwerpen voor de meeste homerecorders. Om de vele mythes die de ronde doen tegen te gaan, en de over dit forum verspreide informatie beter te bundelen, heb ik twee nieuwe gidsartikels geschreven, grotendeels bouwend op forumposts. In dit deel 1 leggen we je de typische problematiek van (home)studio akoestiek uit. In deel 2 dat binnenkort verschijnt, zullen we je op weg helpen met de aanpak van de voornaamste problemen en met het nameten van je eigen studio.

Nota: Met dit artikel willen we de belangrijkste aspecten rond studio akoestiek toegankelijker maken. Dit artikel is voornamelijk gebaseerd op een groot aantal forumposts. De referenties worden onderaan vermeld, maar in het bijzonder dank ik de heren Eric Desart en Bert Stoltenborg voor hun talloze posts die de essentie vormen van dit artikel. De geïnteresseerde lezer kan in die referenties die op het einde van de reeks gegeven worden nog veel meer diepgaande discussies vinden over dit onderwerp.

Als je dit artikel begint te lezen, ben je allicht al eventjes bezig met het maken, opnemen of producen van muziek. Als dat nog niet zo is: geen nood! Aan akoestiek denk je beter te vroeg dan te laat. Vele homerecorders weten een hoop over apparatuur, en over technieken, maar akoestiek? Dat is een onderwerp dat vaak pas bekeken wordt naar aanleiding van een concreet probleem.

Eigenlijk kan je niet vroeg genoeg beginnen nadenken over de ruimte waarin je muziek maakt en opneemt. De effecten van de akoestiek van een ruimte zijn vaak veel groter dan het verschil tussen de klank die door - zeg maar - een goedkope en een duurdere interface opgenomen wordt. Met dit artikel willen we je laten zien hoe belangrijk de akoestische eigenschappen van je ruimte zijn, en geven we je een basis inzicht in de belangrijkste begrippen en fenomenen die met studio-akoestiek gepaard gaan. Je krijgt er (in deel 2) ook een aantal eenvoudige tips bij die je kunnen helpen op zoek te gaan naar budget-vriendelijke en toch effectieve doe-het-zelf oplossingen. De kennis die je opdoet in dit artikel zal je ook helpen gericht vragen te stellen aan de akoestiek specialisten in het studio-inrichting forum.

Het belang van een akoestische behandeling in opname en productie ruimtes

"Hé gasten vertel eens even hoe ik dat moet oplossen?" Dit voelt dan aan als iets in de stijl van (niet zo uitgesproken): "Dan kan ik terug met serieuze zaken bezig zijn." (Eric Desart)

Je kan haast stellen dat bijna iedereen die muziek maakt of opneemt vroeg of laat in meerdere of mindere mate  problemen heeft met de ruimtelijke akoestiek, bewust of niet.  Het belang van de akoestische behandeling van de ruimte waarin je muziek opneemt en bewerkt wordt erg vaak onderschat, en dat geldt niet in het minst bij homestudio's. 

We kunnen in dit artikel over twee soorten ruimte spreken: een opnameruimte (de tracking room), en een  controle / mix / productie ruimte (de control room). In vele homestudio's gebeuren beide toepassingen in dezelfde ruimte. In andere situaties worden binnen één ruimte afschermende elementen geplaatst (bijvoorbeeld een reflectiefilter) om beide toepassingen toch min of meer van elkaar te scheiden. We bespreken de doelstellingen van beide ruimtes eerst even los van elkaar in de context van akoestiek. De praktische info die daarna komt geldt overigens zowel voor homestudio's met gescheiden tracking en control room, als voor homestudio's waar alles in één ruimte gebeurt. Het afschermen van opname en controle ruimtes valt echter onder de noemer "isolatie", waarover je elders op deze site meer informatie terug vindt.

In de tracking room (opname ruimte)

Als je een muziekinstrument opneemt in een onbehandelde ruimte, dan weerkaatst (reflecteert) het geluid van dat instrument tegen de muren van de ruimte. Ook die "galm" (de combinatie van al die weerkaatsingen) wordt dan mee opgenomen. Het opgenomen geluid bestaat dan uit de som van het directe instrumentgeluid en die reflecties.

De balans tussen beide hangt dan af van de afstand van je microfoon tot je instrument, en van de directionaliteit (richting-gevoeligheid) van de microfoon. De aard van die galm hangt af van de dimensies van de ruimte, en van de aard van de materialen in de ruimte (muren, vloerbekleding, gordijnen, ...).

Om in een homestudio de opnameruimte akoestisch in orde te krijgen, wordt er meestal getracht de  voornaamste reflecties weg te werken door absorptie-materialen te plaatsen. In zo'n geval neemt men een "droog" geluid op met zo weinig mogelijk reflecties, en wordt het dit droge opnamegeluid achteraf door middel van (digitale) effecten in een "virtuele" ruimte geplaatst. Wat volgt in dit artikel gaat voornamelijk uit van zo'n aanpak.

In  bepaalde situaties (waar de ruimte het toelaat) kiest men ervoor de ruimtelijke reflecties niet te dempen maar wel te streven naar evenwicht in de reflectiebalans.  Ingrepen zijn er dan vooral op gericht afwijkingen van dat evenwicht weg te werken. Men neemt dan ook de reflecties van een ruimte mee op. Bijvoorbeeld bij de opname van akoestische instrumenten kunnen zo'n reflecties helpen om een meer "natuurlijke" opname te verkrijgen: denk maar aan de klank van een koor in een kerk (een extreem voorbeeld). We gaan in dit artikel niet verder in op deze aanpak.

In de control room (controle / mix ruimte)

Ook in een ruimte waarin je muziek bewerkt en mixt is het heel belangrijk de akoestiek in vraag te stellen. We willen allemaal de beste monitors kopen die voor ons budget verkrijgbaar zijn, maar vergeten dat reflecties in onze ruimte het geluid dat we uit die monitors horen veel drastischer beïnvloeden dan het monitortype dat we hebben staan.

Eén van de meest typische problemen in studios is bijvoorbeeld overabsorptie van mid en hoog en te weinig absorptie in het laag. Daardoor klinkt het geluid dat we door onze monitors in de ruimte horen vaak "bassiger" dan het eigenlijk is, en als je daarvoor gaat compenseren tijdens het mixen zal je geen evenwichtige mix afleveren.

De akoestische problemen van thuisstudio's vormen een nog lastiger probleem bij mastering: daarvoor is een evenwichtig klankbeeld echt helemaal onmisbaar is. Daarom kiezen veel home- en projectstudio's er voor het masteren van belangrijke projecten over te laten aan een professioneel mastering ingenieur met de daarvoor nodige infrastructuur. 

Het probleem van niet lineaire absorptie

In een ruimte kan je een geluidsbron niet als een losstaand gegeven beschouwen. Een fractie van het geluid reflecteert immers tegen de wanden of voorwerpen in de ruimte, een andere fractie wordt erdoor geabsorbeerd. Op die manier beïnvloedt de ganse omgeving hoe een geluidsbron  klinkt op een gegeven plek in de ruimte. De manier waarop dat gebeurt is complex: golven beïnvloeden immers ook elkaar en verschillende frequenties zullen ondermeer afhankelijk van de grootte van de ruimte en de aard van de wanden en voorwerpen een verschillend gedrag vertonen.

In een mix ruimte wordt er gewoonlijk getracht die reflecties zo goed mogelijk te minimaliseren, zodat wat je hoort in hoofdzaak het directe geluid is dat uit je monitors komt. Daarvoor wordt absorberend materiaal aangebracht op bepaalde, liefst strategisch gekozen posities in de ruimte, zoals wanden, hoeken en plafonds. Daarvoor bestaan erg veel mogelijkheden en materialen. Je dient hierbij vooral één punt goed in het achterhoofd te houden: streef altijd naar een evenwichtige absorptie van alle frequenties. Dat is wat we bedoelen met "lineaire absorptie": het betekent dat je wil vermijden dat één frequentie sterker geabsorbeerd wordt dan een andere. Anders gezegd: je streeft ernaar dat de totale absorptie, aanwezig in de ruimte, zo goed mogelijk gelijkmatig of "lineair" is. Dat wil niet persé zeggen dat je alleen aborptie-materialen mag gebruiken die een lineaire absorptie vertonen. Het wil wel zeggen dat je ernaar dient te streven dat de combinatie van alle  aanwezige absorberende elementen tot een lineaire absorptie leidt. Soms betekent dat dat je "niet lineaire" reflecties in je bestaande ruimte doelbewust gaat dempen met  materialen met specifieke absorptie-karakteristieken.

In de praktijk blijken er echter relatief eenvoudige oplossingen te bestaan om een behoorlijk lineaire absorptie te verkrijgen op homestudio niveau. En die hoeven niet eens veel te kosten.

"De vraag: wie heeft al akoestische problemen gehad? Antwoord: iedereen (die met hobby studiowerk bezig is), zelfs al beseffen ze het zelf niet. Doe gewoon een meting op je luisterpositie en de situatie visualiseert zich." (Eric Desart)

De mate waarin de absorptie van een ruimte lineair is kan best geanalyseerd worden via een smalbandmeting. Men stuurt dan een mooie vlakke roze ruis door de speakers, en men registreert dan het frequentiespectrum op een bepaalde plek in de ruimte. Dat registreren gebeurt liefst met  een meetmicrofoon (beschikbaar vanaf ca 50€) en gespecialiseerde (en gratis beschikbare) software. In een ideale ruimte krijg je dan een vlakke respons te zijn. In de praktijk zie je  dan meteen de non-lineariteit, in de vorm van putten en pieken in het frequentiespectrum.

"Dit soort afwijkingen is dikwijls groter dan afwijkingen die te wijten zijn aan eender welke elektronica. Karikaturaal uitgedrukt: Als je een dergelijk curve zou vinden bij je luidsprekers zelf gooi je ze op het stort. Het toont echter ook de onnoemelijke capaciteit van onze hersenen om uit chaos harmonie te maken. Dit is sterk gerelateerd met de context waarin wij iets horen. En hier ontstaat het probleem: bij opnames zit je met fouten door de invloed van je hersenen. Muziek klinkt goed in de ruimte waar je de opname of mixing deed. Automatisch corrigeerde je de opname naar de fouten en akoestiek van de ruimte. Later speel je dit af in andere ruimtes met andere akoestische eigenschappen, en blijkt de mix toch niet "evenwichtig" te klinken." (Eric Desart)

Samenvattend: een goed klinkende ruimte is dus een ruimte waar de galmtijd lineair (gelijk) is van lage tot hoge frequenties. De ruimte waarin we ons geluid beoordelen en afregelen zou akoestisch neutraal moeten zijn.

Een beetje fysica: de aard van akoestische problemen

In dit artikel gaan we ervan uit dat je weet en begrijpt dat een geluidsgolf bestaat uit afwisselende verdichtingen en verdunningen van de lucht, die zich door heen de driedimensionale ruimte voortplanten. Een zuivere toon is een sinus: een golf van verdichtingen en verdunningen die elkaar vloeiend en regelmatig afwisselen. Elk geluid, hoe complex het ook is, kan je eigenlijk opsplitsen in een combinatie van "zuivere" sinussen. Dat gebeurt bijvoorbeeld in grafische spectrum analysers via een wiskundige methode genaamd "Fourier transformatie", een begrip waar je allicht al van gehoord hebt. De frequentie (of toonhoogte) van die golf geeft weer hoe snel die verdichtingen en verdunningen elkaar afwisselen. Bij lage tonen is de frequentie laag, en gebeurt die afwisseling  dus langzaam, terwijl bij hoge tonen die verdichtingen en verdunningen elkaar snel afwisselen.  De amplitude komt overeen met de "intensiteit" van deze verdichtingen en verdunningen. Een complex geluid, dat lage en hoge tonen bevat, bestaat dus uit de som (superpositie) van hoger en lager frequente verdichtingen. Uit hetgeen volgt zal duidelijk worden waarom niet alle frequenties zich in een ruimte identiek gedragen. Bepaalde frequenties worden bijvoorbeeld meer geabsorbeerd door bepaalde materialen in de omgeving dan andere, en ook de afmetingen van een ruimte heeft een effect. Een beetje inzicht in de manier waarop dat gebeurt is erg nuttig als je je ruimte goed wil aanpakken.

Geometrische akoestiek

Bij een speaker die in een vrij veld staat (je mag dat vrij letterlijk nemen) hoor je geluid doordat de sinus beweegt doorheen de ruimte, zodat je oor (dat zich op een bepaalde plek in de ruimte bevindt) geconfronteerd wordt met een opeenvolging van overdruk en onderdruk. Hierdoor gaat je trommelvlies mee trillen. In zo'n "vrij veld situatie" hangt veel af van de directionaliteit van de speaker, die op zich ook varieert in functie van de frequentie. Hier kunnen zich reflecties van de ruimte bijvoegen, die ofwel versterkend ofwel uitdovend werken ten opzichte van de bron. De precieze positie van de luidsprekers ten opzichte van de reflecterende wanden en de positie van de luisteraar zijn hierbij bepalend: Verplaats je boxen of ga ergens anders zitten en het geluidsbeeld wijzigt. Men spreekt dan over geometrische akoestiek.

In geometrische akoestiek gedraagt het geluid zich zoals licht zich gedraagt: golven die met een bepaalde hoek invallen op een oppervlak (zoals licht op een spiegel) worden gereflecteerd met een hoek die gelijk is aan de invallende hoek. Geometrische akoestiek wil zeggen dat het geluid reflecteert zoals een biljart bal, die altijd terugkaatst tegen de wand onder een hoek die gelijk is aan de invallende hoek. Men spreekt dan ook van spiegelbronnen. 

Stel je hebt een wand die het geluid 100% reflecteert. Dan is het geluid dat bij jou komt van de bron vergelijkbaar met geluid dat via een spiegel komt. Dit geluid komt echter aan met vertraging. Het gevolg is dat er een (fase) verschil bestaat tussen het moment dat het brongeluid en het reflecterende geluid op jouw luisterpositie in een luchtverdichting versus verdunning resulteert. Beide signalen "interfereren" dan, door wat men "superpositie" van de verschillende golven noemt. Het tijdsverschil tussen de reflecties en de bron bepaalt of een frequentie al dan niet uitgedoofd of versterkt wordt. Omdat dit proces frequentie-afhankelijk is, merken we dat sommige frequenties bijna uitdoven, en andere juist wel sterk hoorbaar zijn. Daardoor treedt "kam filtering" (comb filtering) op, wat resulteert in een sterke (ongewenste) kleuring van het hoorbare geluid.

Een akoestische behandeling is dus belangrijk om dit soort reflecties te absorberen, door het uitschakelen of verminderen van die spiegelbronnen. 

Modale akoestiek

Dikwijls zie je, zeker met kleinere ruimtes, dat bepaalde lagere frequenties een heel sterke put vertonen. Dat is wat men een ruimte mode (of eigentones, of eigenresonanties) noemt, wat eigenlijk de resonantie van de ruimte zelf is. Als de lengte van een geluidsgolf exact overeenkomt met een afmeting van de ruimte of daarvan een exact veelvoud is, zijn het brongeluid en de reflectie in fase : er treedt dan resonantie op. Op bepaalde plekken (bij de wanden) krijg je dan een permanente overdruk (verdichting van de lucht), op andere plekken krijg je onderdruk (verdunning). In het centrum heffen het brongeluid en het gereflecteerd geluid elkaar op. Dit betekent dat er op die positie geen geluidsdruk meer is voor die frequentie: je bent die toon daar dus echt kwijt. Dit fenomeen valt onder de modale akoestiek. Dit is niet afhankelijk van de positie of richting van de luidspreker, zolang die speaker maar in een zone staat waar hij zo'n staande golf kan aanslaan ("exciteren").

Staande golven zijn dus gefixeerde patronen in een ruimte, patronen die tussen de wanden gaan "staan". Die patronen zullen afhankelijk van waar je staat zorgen voor teveel of te weinig laag in de ruimte, en ze hebben een drukmaximum in de hoeken van een ruimte (wat erg belangrijk is voor de behandeling, zie verder). Het helpt niet om in een ruimte wanden schuin te zetten: staande golven heb je altijd. Wel is het zo dat men bij een ruimte met rechte hoeken makkelijker kan berekenen en voorspellen welke staande golven er zullen optreden.

Staande golven en modale akoestiek zijn moeilijk te vatten in een tekst. Er bestaan echter uitstekende simulaties die het fenomeen visueel illustreren.:

Ruimte Modes

"De aflijningen tussen die vlakken over- en onderdrukzones zijn de nul lijnen (de lijn die de nulpunten in de ruimte verbindt in de ruimte). Hoe vreemd het ook klinkt: door de reflecties die in die animaties gedomnstreerd worden verdwijnt deze frequentie haast! Het gevolg is dat je door het toepassen van goed en aangepast absorptiemateriaal, dat dus in wezen energie doet verdwijnen via omzetting van geluid in warmte, toch MEER bas krijgt in de frequenties die anders wegvallen. Dit klinkt absurd: om het probleem van te weinig bas op te lossen ga je bas absorberen om uiteindelijk meer bas over te houden daar waar je het nodig hebt." (Eric Desart)

De invloed van de dimensies van de ruimte in modale akoesteiek

Men onderscheidt in een rechthoekige ruimte verschillende soorten staande golven.

Axiale golven grijpen plaats tussen twee wanden of plafond/vloer.

Tangentiale golven staan tussen 4 scheidingsoppervlakken.

Oblique golven staan tussen 6 scheidingsoppervlakken (voor een wiskundige toelichting: http://www.homerecording.be/forum/t13804-4.htm#post93145). Als een ruimte volledig als een kubus is gebouwd hebben alle axiale golven dezelfde lengte, waardoor ze hinderlijker worden omdat hun amplitude (luidheid) wordt opgeteld. Staande golven (modes) hebben ook harmonischen, dus een basisgolf heeft harmonischen op 2, 3, 4 etc keer de fundamentele frequentie. In onregelmatige ruimten wordt het vooral complexer.

Of je al dan niet last hebt van deze staande golven of modes hangt ondermeer af van de afmetingen van je ruimte. Bij zéér grote ruimtes krijg je erg veel modes die heel dicht op elkaar liggen, waardoor ze elkaar uitvlakken. Het probleemgebied situeert zich waar deze modes elkaar niet meer voldoende overlappen en zich  geïsoleerd voordoen, met de bekende putten en pieken tot gevolg.  Kleine ruimtes (en daar mag je bijna elke homestudio, ook wat wij  normaalgezien wel als groot beschouwen, toe rekenen) worden in belangrijkere mate gedomineerd door de modale akoestiek. Op dit gegeven is het concept van de "Schroeder frequentie" gebaseerd: een karakteristieke frequentie die een ruwe (niet exacte) grens bepaalt tussen het lager gebied met weinig modale densiteit/overlap (het modale probleemgebied) en het hoger gebied met voldoende modale densiteit/overlap. De Schroeder frequentie hangt af van de grootte van de ruimte: ze stijgt naarmate de ruimte kleiner is. Dat betekent dus dat in een kleine ruimte de modale akoestiek al sneller (want ook al bij niet zo lage tonen) een rol speelt. Beschouw deze factor niet als een strikte cutoff tussen 2 gebieden maar als een leidraad: problemen zijn dus niet uitgesloten boven deze "Schroeder frekwentie"!

Dat modes samenhangen met de afmetingen van de ruimte weet je intussen. Tot nu toe spraken we echter enkel over lage frequenties waarvan de corresponderende  golflengte een veelvoud is van de ruimte dimensies. In hedendaagse muziek werken we echter ook met frequenties die nog lager liggen. Wanneer geluid beneden de laagste mode komt (in de praktijk grofweg als de helft van de golflengte gelijk is aan de maat  van de kamer), dan gaat de kamer zich langzaam gedragen als een "drukveld". In die laag frequente zone krijg je terug een mooi geluidsbeeld zonder die pieken en dalen. Ook een ruimte die beduidend kleiner  is dan de golflengte van het geluid kan een geluid dus perfect weergeven, en dat kan dus ook met een hoofdtelefoon! Helaas hebben hoofdtelefoons andere nadelen bij het beoordelen van een mix, zoniet hadden we ons al die akoestische achtergrond kunnen besparen en onze studio's compleet op hoofdtelefoons gebaseerd. 

Bij een zeer grote ruimte is de densiteit/overlap van de modes in het audiogebied ruim voldoende. Een dergelijke ruimte wordt gedomineerd door geometrische akoestiek. Hoe kleiner je een ruimte maakt hoe meer en meer het gebied met te lage modale densiteit stijgt naar de hogere frequenties (de Schroeder frequentie ligt hoger bij kleinere ruimtes). Echter ook dat frequentiegebied  met een mooie egale geluidsdrukverdeling beneden de laagste mode schuift bij kleinere ruimtes op naar boven! Omdat die lastige geïsoleerde modes dus bij een kleinere ruimte bij wat hogere frequenties voorkomen, én omdat absorptie van lagere frequenties moeilijker te verwezelijken is, zijn kleinere ruimtes eigenlijk gemakkelijker te behandelen tegen modaal gedrag!

Belang van de positie van bron en luisterpositie

Als je een luidspreker in de hoek van de ruimte zet, in het druk-maximum van de golf, zul je de staande golven maximaal aanstoten. Als je de speaker in het midden van de ruimte zet, waar de geluidsdruk minimaal is (maar waar het zogenaamde snelheidsmaximum van de golf zich bevindt), stoot je de golf minimaal aan.

Ook de luisterpositie is belangrijk; als je luistert in een druk maximum, hoor je veel laag, en in een drukminimum weinig. Door wat te schuiven met de speaker- en luisterpositie in een ruimte, kun je al plekken vinden waar de weergave het meest egaal is, dus geen hindelijke pieken en dalen heeft.

Samenvattend: Staande golven doen zich steeds voor: ze zijn niet enkel gerelateerd aan parallelle wanden. Zelfs officiële akoestische meetkamers die assymetrisch ontworpen zijn in functie van de optimalisatie van modale distributie vertonen staande golven. Ook dit is een veelgehoord misverstand.

Flutter kan je het best herkennen door met je handen te klappen, en te luisteren of er zich een soort (heel korte) echo voordoet. Flutter is gerelateerd aan modaal gedrag, en het wordt meestal omschreven als een repetitieve echo tussen parallelle, tegen over elkaar staande wanden. Deze omschrijving is eigenlijk een vereenvoudiging van een meer complexe realiteit.

En nu?

In het vervolg op dit artikel zullen we bespreken hoe je de problemen, die je nu hebt leren kennen, kan aanpakken. We zullen je daarbij ook een uitgebreide lijst verwijzingen geven naar de forumdiscussies die aan de basis van dit artikel liggen. Als je intussen vragen hebt over de aspecten die in dit deel besproken werden, shoot!

Disclaimer

Ik ben geen akoesticus. Ik heb enkel geprobeerd in deze post de op het forum veelvuldig besproken basisbegrippen samen te brengen in een overzichtsartikel. Als ik fout zit reken ik erop dat de experts mij verder zullen verbeteren. Om het overzichtelijk en compact te houden heb ik sommige zaken allicht eenvoudiger voorgesteld dan ze eigenlijk zijn. Dit artikel heeft slechts tot doel een aanzet te zijn voor al wie wat meer wil begrijpen van de akoestiek in z'n homestudio. Voor complexe of kritische toepassingen blijft het aangewezen er een expert bij te betrekken.

Vervolg

Intussen is er ook een vervolg verschenen op dit artikel. In deel 2 ga ik verder in op de manier waarop je akoestische problemen kan detecteren en aanpakken.