Reflexion

Reflexion bezeichnet das Zurückwerfen von Schallwellen an einer Begrenzungsfläche, wenn Schall auf ein Hindernis trifft, an diesem abprallt und in das Ursprungsmedium zurückgeworfen/reflektiert wird. Für ideal glatte Flächen gilt dabei das Reflexionsgesetz, nach dem Einfallswinkel und Ausfallswinkel gleich groß sind.

Reflexionen sind ein grundlegender Bestandteil der Raumakustik, der Schallwahrnehmung und der akustischen Modellbildung. Sie bestimmen maßgeblich, wie Schallquellen räumlich wahrgenommen werden, wie sich Nachhall bildet und wie sich der Klang eines Raumes entwickelt. Reflexionen treten immer im Zusammenspiel mit Absorption und Transmission auf und sind daher nie vollständig verlustfrei.

 
Schall breitet sich als mechanische Welle in Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern aus. Trifft eine Schallwelle auf eine Begrenzungsfläche, an der sich die akustischen Eigenschaften des Mediums ändern (z. B. Übergang von Luft zu einer Wand), wird ein Teil der Schallenergie reflektiert.
 
Die Stärke und Art der Reflexion hängen unter anderem ab von:

Neben der Reflexion treten stets auch Absorption (Energieumwandlung im Material) und Transmission (Durchgang des Schalls durch die Begrenzung) auf.

 
Für ebene Wellen an glatten, ebenen Begrenzungsflächen gilt das Reflexionsgesetz:
 θEinfall​=θAusfall​
Dieses Gesetz ist vor allem im Rahmen der geometrischen Akustik von Bedeutung. Bei rauen oder strukturierten Oberflächen wird der Schall hingegen in viele Richtungen gestreut; man spricht dann von diffuser Reflexion.

 
In realen Räumen tritt reflektierter Schall gemeinsam mit weiteren Schallanteilen auf. Zur Beschreibung werden drei Hauptanteile unterschieden:
 
Direktschall

Der Direktschall ist der Schallanteil, der ohne vorherige Reflexion auf direktem Weg von der Schallquelle zum Empfangsort gelangt. Sein Pegel nimmt mit zunehmender Entfernung ab und er ist entscheidend für die Lokalisation der Schallquelle.

Frühe Reflexionen

Frühe Reflexionen entstehen durch einmalige oder wenige Reflexionen an nahegelegenen Begrenzungsflächen und treffen kurz nach dem Direktschall ein. Sie beeinflussen die wahrgenommene Räumlichkeit, Klangfarbe und Verständlichkeit. Zeitlich liegen sie typischerweise innerhalb der ersten 15–50 ms nach dem Direktschall.

Späte Reflexionen und Diffusschall
 
Späte Reflexionen entstehen durch vielfache Reflexionen im Raum. Einzelne Reflexionswege sind nicht mehr unterscheidbar. Durch ihre zeitliche und räumliche Überlagerung bildet sich der Diffusschall, der aus nahezu allen Richtungen am Empfangsort eintrifft und den Nachhall eines Raumes bestimmt.

 
Überlagern sich einlaufende und reflektierte Schallwellen, entsteht Interferenz. Je nach Phasenlage kann es zu:

kommen. In geschlossenen Räumen kann dies zur Ausbildung stehender Wellen (Raummoden) führen.

 
Reflexion am festen Ende

Trifft eine Welle auf eine unbewegliche Begrenzung, ist die Auslenkung an dieser Stelle null. Die reflektierte Welle erfährt eine Phasenumkehr um 180°. Ein Beispiel hierfür sind fest eingespannt schwingende Saiten oder starre Wände.

Reflexion am losen Ende

Bei einer frei beweglichen Begrenzung bleibt die Phase der reflektierten Welle erhalten. Ein Wellenberg wird als Wellenberg reflektiert. Die Auslenkung an der Grenzfläche ist maximal, und die Überlagerung erfolgt gleichphasig.

Totalreflexion (idealisierter Grenzfall)

Von Totalreflexion spricht man, wenn nahezu die gesamte Schallenergie reflektiert wird und kaum Energie durch die Begrenzung dringt. In realen Anwendungen handelt es sich dabei um eine Idealannahme, da stets Verluste auftreten.

 

 
In geschlossenen Räumen führen die zahlreichen Reflexionen an Wänden, Decken und Böden zu einer komplexen Mischung aus Direktschall, frühen Reflexionen und Diffusschall. Besonders in rechteckigen Räumen können sich Raummoden ausbilden, die bestimmte Frequenzen verstärken oder abschwächen und den Klang deutlich beeinflussen.

 
Das menschliche Gehör wertet Reflexionen vor allem anhand zeitlicher Unterschiede aus. Sehr frühe Reflexionen tragen zur Wahrnehmung von Räumlichkeit und Breite bei. Der sogenannte Präzedenzeffekt (Haas-Effekt) beschreibt, dass die Richtung einer Schallquelle durch den zuerst eintreffenden Schall bestimmt wird, während spätere Reflexionen hauptsächlich Lautstärke, Klangfarbe und Raumempfinden beeinflussen. Bei großen Laufzeitunterschieden und ausreichendem Pegel können Reflexionen als Echo wahrgenommen werden.

Reflexionen lassen sich nicht direkt als einzelnes Phänomen messen, sondern werden über zeitliche und spektrale Analysen des Schallfelds erfasst. Zentrales Werkzeug ist dabei die Raumimpulsantwort, die das zeitliche Eintreffen von Direktschall und Reflexionen am Messpunkt abbildet.

Zur Messung wird in der Regel ein bekanntes Anregungssignal (z. B. Impuls, Sinus-Sweep oder Rauschen) über einen Lautsprecher abgestrahlt und mit einem Mikrofon aufgezeichnet. Aus der Impulsantwort lassen sich unter anderem:

bestimmen.

Für die Bewertung früher Reflexionen werden häufig Zeitfensterungen eingesetzt, um gezielt bestimmte Zeitbereiche nach dem Direktschall zu analysieren. Späte Reflexionen und Diffusschall werden hingegen über Energieabklingkurven und daraus abgeleitete Kenngrößen wie die Nachhallzeit beurteilt.

In der Praxis werden Messungen der Reflexionen häufig mit geometrischen Modellen oder Raumakustik-Simulationen kombiniert, um Messergebnisse zu interpretieren und akustische Maßnahmen gezielt zu planen.

Praxisrichtwert für Regieräume:
In Regieräumen wird häufig angestrebt, dass innerhalb der ersten ca. 15 ms nach dem Eintreffen des Direktschalls keine Reflexionen auftreten, deren Pegel höher als etwa −20 dB relativ zum Direktschall ist. Dieser Richtwert dient dazu, Kammfiltereffekte, Verfärbungen und Beeinträchtigungen der Lokalisation zu vermeiden. Er ist kein normativer Grenzwert, sondern ein praxisbewährter Orientierungswert, der insbesondere im Zusammenhang mit Konzepten wie der Reflection Free Zone (RFZ) (HIER fehlt ein Link zu RFZ, gibts den schon? Artikelliste wird langsam, unübersichtlich...Suchfunktion im Auswahlmenü?)  verwendet wird.

Reflexion ist ein zentrales Phänomen der Akustik und prägt die Schallausbreitung, Raumakustik und Wahrnehmung maßgeblich. Sie tritt stets gemeinsam mit Absorption und Transmission auf und wird je nach Fragestellung geometrisch, wellentheoretisch oder statistisch beschrieben. Das Verständnis von Reflexionen ist grundlegend für die Planung, Analyse und Bewertung akustischer Räume.

Leo L. Beranek, Acoustics, Acoustical Society of America, 1996
Heinrich Kuttruff, Raumakustik, S. Hirzel Verlag, 2018
F. Alton Everest, Ken C. Pohlmann, Master Handbook of Acoustics, McGraw-Hill, 2015
Thomas D. Rossing (Hrsg.), Springer Handbook of Acoustics, Springer, 2014