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Acoustic

Decisive factors for the audibility of a room …
… are the direct sound, the early reflection, the reverberation – and especially the flutter echoes.

Direct sound transmits the fundamental tone of the voice and low-frequency vowels well into the room, but not higher-frequency, toneless consonants (f, h, s, th), which are important for speech.

The so-called short reflection from the ceiling provides the necessary amplification of the high and medium frequencies (consonants). It arrives at the listening position within 3 – 10 milliseconds after the direct sound wave. Since our hearing cannot perceive this minimal delay, direct sound and reflection add up, significantly increasing the speech intelligibility that is necessary in the classroom.

Reverberation is the sum of multiple reflected sound waves and is perceived as an independent sound event due to the longer time delay. Pure reverberation does not necessarily impair speech intelligibility. Large concert halls and churches have a distinct reverberation and can enhance the listening experience.



The flutter echo is the periodic sequencing of an echo: the sound is reflected back to its source by two or more highly reflective surfaces. These can be parallel surfaces (opposite walls) or, in particular, the boundaries and corners of a room. This creates an interfering backdrop that particularly impairs speech intelligibility – and is often perceived as unpleasant or even painful. The noise level builds up. The listeners tune out, the lecturers are stressed.

In a rectangular room, two-dimensional flutter echoes build up in the upper boundaries (a) and three-dimensional ones in the upper corners (b). In the lower boundaries and corners, furniture and people usually prevent this effect.

The Solution to the Problem...

... is as obvious as it is simple: the occurrence of the noise in the corners must be prevented. This is exactly what the Acoustic Optimizer EWA does. It absorbs sound arriving in the corners and very efficiently prevents this sound pressure from being reflected back to the speaker and listeners. The volume difference between the useful signal (speech) and the disturbing signal (diffuse noise) is increased. Speech is understood cleanly and clearly throughout the room, regardless of the point in the room from which it is delivered. Everyone in the room automatically speaks more quietly because they are already perfectly understood. This effect creates even more quietness.
Weniger Lärm in der Kita: der Akustik-Optimierer von EinrichtWerk

Front-of-class Teaching and Distances

Time and again one hears the claim that front-of-class teaching no longer takes place which means that the ceilings can be fully dampened. This is wrong. Firstly, frontal lecturing still takes place, e.g. when learners practice giving presentations. Secondly, even during a discussion, each person in the room must understand the contributions of the other students, and the maximum diagonal distance in the room is 8-10 meters. Therefore, full-surface damping of the ceiling in classrooms should be avoided at all costs.

The negative effect of such incorrect damping is explained below.

Factors that affect audibility

The so-called „speech banana“ shows the frequency range in which speech takes place. You can see that the soundless consonants f, s, h, and th only range between 20 and 35 dB. These sounds need to be supported by, for example, a direct reflection from the ceiling, since they do not carry far through a room filled with several people.

A complete acoustic ceiling can practically cut away part of the „banana“ (the gray gradients show what a weakly (1) or strongly (2) dampening acoustic ceiling can remove).

3) Original frequency of the voice

4) The Acoustic Optimizer EWA.1 hardly impairs the sound intensity (volume level) of the individual frequencies at all. Above all, the high frequencies that are so important for speech are retained in their entirety. Its effect unfolds in the corners of the room, where it effectively absorbs the low frequencies of the flutter echoes.

5) With complete, strongly dampening acoustic ceilings, the high frequencies in particular are strongly absorbed. Some consonants can no longer be understood from a distance of 3-5 meters. Depending on the design of the ceilings, the flutter echoes from the room corners cannot be prevented to a sufficient extent.


A Comparison of the Effectiveness of the EWA.1 Acoustic Optimizer

Der Einfluss von Lärm auf den Unterricht en

In acoustically untreated rooms, disturbing flutter echoes form in the boundaries and especially in the corners, causing a loud and time-delayed overlapping of the original. Room boundaries and corners act as resonators, lowering the incident frequency and amplifying the noise by 6-8 decibels. Speech intelligibility can be made considerably more difficult, as everyone involuntarily speaks louder. The ability to concentrate may decrease. Stress reactions in speakers as well as listeners can build up.

Der Ursprung des Lärms im Unterricht en

Although complete, strongly dampening acoustic ceilings absorb reverberation, they can simultaneously hinder the helpful short reflections. Lecturers would have to speak much louder to be heard and understood throughout the room. Teachers confirm this effect. After the installation of acoustic ceilings, it is necessary to speak with a significantly louder voice in order to be understood throughout the class.

Der Einfluss von Akustik-Optimierern von EinrichtWerk auf den Raum en
The EWA.1 Acoustic Optimizer prevents the formation of flutter echoes in the corners and simultaneously maintains the short reflections from the ceiling.

The result is a room with significantly reduced background noise, allowing fatigue-free speech and – even for those with hearing impairment – virtually unprecedented speech intelligibility right down to the last row.


A Comparison of the Effectiveness of the EWA.1 Acoustic Optimizer

In einem durchschnittlichen Klassenraum von 63 qm, bei Kantenmaßen von 7 x 9 m, ist eine Diagonale von gut 8 m (Lehrerpult vorn rechts, Schüler hinten links) gängige Alltagssituation. Dabei sind angemessene Wandabstände bereits berücksichtig.

Der Ursprung des Lärms im Unterricht

In acoustically untreated rooms, disturbing flutter echoes form in the boundaries and especially in the corners, causing a loud and time-delayed overlapping of the original. Room boundaries and corners act as resonators, lowering the incident frequency and amplifying the noise by 6-8 decibels. Speech intelligibility can be made considerably more difficult, as everyone involuntarily speaks louder. The ability to concentrate may decrease. Stress reactions in speakers as well as listeners can build up.

Der Einfluss von Lärm auf den Unterricht

Although complete, strongly dampening acoustic ceilings absorb reverberation, they can simultaneously hinder the helpful short reflections. Lecturers would have to speak much louder to be heard and understood throughout the room. Teachers confirm this effect. After the installation of acoustic ceilings, it is necessary to speak with a significantly louder voice in order to be understood throughout the class.

Die Folgen einer reinen Nachhall-Reduzierung

Vollflächige Akustikdecken können das Entstehen des störenden Kanteneffektes nicht verhindern. Damit behindern sie die Kommunikation im Raum erheblich, ohne das eigentliche Problem zu lösen. Zwar ist dann der Nachhall sehr niedrig, dafür aber wird das Nutzsignal weiterhin von störenden Geräuschen aus den Kanten überlagert, während gleichzeitig die hohen Frequenzen (Konsonanten) vollständig absorbiert werden: somit ist das Problem größer als zuvor. Den Sprechenden wird eine erhöhte Sprachanstrengung abverlangt, allen anderen ein äußerst konzentriertes Zuhören. Je mehr Energie aber das Gehirn für das Ausfiltern von Störgeräuschen aufwenden muss, desto weniger Energie bleibt für das Verstehen des Inhaltes. Stress, Abschalten und schlechte Lernergebnisse sind die logische Folge.

Hintergrundwissen

Das Folgende gilt für Räume, in denen Kommunikation ohne Mikrofon und Lautsprecher erforderlich ist – also zum Beispiel in Klassenräumen, Seminarräumen oder betrieblichen Besprechungsräumen.

Um Baukosten zu senken wurde – und wird noch immer – überwiegend rechtwinklig und mit Parallelen geplant und errichtet. Auf sinnvolle Diffusion wird zudem meist verzichtet.

Um anschließend die extrem niedrigen Nachhallwerte gemäß DIN 18041:2016-03 erreichen zu können, werden Klassenräume in der Regel großflächig akustisch bedämpft, überwiegend über die Deckenflächen. In diesem Zusammenhang wird vielfach behauptet, der Direktschall reiche für die Verständigung im Klassenraum völlig aus. Mit der Bedämpfung der Deckenfläche jedoch wird eine Freifeldsimulation realisiert: Die allein über eine Deckenreflexion realisierbare Unterstützung des Direktschalls entfällt.

Die Raumakustik in der DIN 18041

Dort heißt es: „Um eine der Raumnutzung angepasste Nachhallzeit T erzielen zu können, […] können umfangreichere schallabsorbierende Maßnahmen erforderlich sein. Dadurch wird der Schalldruckpegel am Hörort reduziert. Dies ist in größeren Räumen mit Entfernungen zwischen Sprecher und Hörer von über 8 m von Nachteil […]“ (DIN 18041:2016-03, 5.2 Volumenkennzahl)

Weiter heißt es in der DIN 18041:2016-03: „Um eine geeignete Hörsamkeit zu erreichen, muss der Signal-Pegel […] wesentlich, d. h. um mindestens 10 dB, höher sein als der Gesamtstörschalldruckpegel […].“ Dieser Störschallpegel wird für Nutzungsarten „Sprache/Vortrag“ bis „Unterricht/Kommunikation inklusiv“ angegeben mit bauseitig ebenso wie betriebsseitig maximal 35 dB, die als Grundgeräuschpegel nicht nur tolerierbar sind, sondern die auch gar nicht verhindert werden können.

Schließlich zur Sprechlautstärke und Sprechweise benennt die DIN 18041:2016-03 als „normalen“ Schalldruckpegel in 1 m Entfernung zum Sprecher 60 dB, als bereits „angehoben“ 66 dB. Aber eben auch: „Länger dauerndes Sprechen ist für ungeübte Sprecher über die Sprechweise ‚angehoben‘ mit […] 66 dB nicht zweckmäßig.“ – Als ungeübter Sprecher können die Schüler:innen angesehen werden; auch den Lehrenden als geübte Sprecher kann insbesondere bei hoher Wochenstundenzahl die ‚angehobene‘ Sprechweise allein aus physiologischen Gründen nicht pauschal und permanent abverlangt werden.

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