Kirchenbeschallung im Limburger Dom

Gegen Ende 2016 erhielt der Limburger Dom eine neue Beschallungsanlage. Planung und Installation erfolgten unter der Prämisse aktuelle Technik so unauffällig wie möglich zu integrieren. Dieser Ansatz wurde sowohl unter optischen Aspekten als auch beim Bedienkonzept konsequent verfolgt und umgesetzt.

Der Limburger Dom in seiner exponierten Lage ist das weit sichtbare Wahrzeichen der Stadt. Er wurde in seiner heutigen Form in vier Bauphasen errichtet. Baubeginn der ersten Phase war vermutlich um 1190; die Einweihung erfolgte 1235. Das Kirchengebäude mit seinen insgesamt sieben Türmen, die sinnbildlich für die sieben Sakramente stehen, stellt sich äußerlich wie auch im Innern als detailverliebtes Gesamtkunstwerk dar. Im Innenraum fällt als erstes die angenehm helle Gestaltung des schlanken und hohen Mittelschiffs auf. Eine Besonderheit ist bei den Seitenschiffen zu beobachten, die komplett auf zwei Ebenen in der Art einer Empore ausgeführt sind. Die zweite Ebene setzt sich im Anschluss daran in den seitlichen Umgängen des Querhauses fort und mündet beidseitig in der Chorempore.

Nachhallzeit

Betrachtet man den Innenraum des Doms aus akustischer Sicht, hat man es hier zwar mit einem typischen Kircheninnenraum zu tun. Im direkten Vergleich zu anderen großen Kirchen fällt er aber weniger durch seine schiere Größe auf, als durch viele kleinere Teilbereiche. Die mittlere Nachhallzeit im unbesetzten Zustand liegt bei 4,2 s und ist somit für einen Dom eher kurz. Damit ergeben sich auf den ersten Blick gute Voraussetzungen für die Beschallung des Doms. Schwierig wird es jedoch durch die zweite Ebene in Form der seitlichen Emporen und Umgänge, die an Festtagen und bei anderen großen Feierlichkeiten auch für Besucher zugänglich sind. Erfahrene Techniker kennen das Problem nur zu gut. Man plant die untere Ebene einer Räumlichkeit und ist zufrieden mit dem Ergebnis. Dann kommt die Beschallung von Emporen, Galerien und Ähnlichem dazu und die Qualität schwindet dramatisch.

Die einfache Erklärung liegt im Verhältnis von nützlichem Direktschall plus früher Reflexionen in Relation zum Diffusfeld des Schalls. Was Organisten und Chöre für einen guten und voluminö- sen Klang dringend brauchen – ein kräftiges Diffusfeld – das ist der Sprachverständlichkeit abträglich. Genau da liegt das Problem: Die zusätzliche Beschallung der Emporen beschränkt sich nicht auf diese, sondern trägt kräftig zum Diffusfeld im gesamten Raum bei. Wären die beiden Bereiche akustisch getrennt, gäbe es das Problem nicht. Denn das Erdgeschoss für sich betrachtet liefert gute Ergebnisse und die Empore, für sich betrachtet, ebenfalls. Das heißt, beide Ebenen haben ein hinreichend gu – tes Verhältnis von Direktschall zum Diffusfeld. Werden beide Ebenen gleichzeitig beschallt, bleiben die Direktschallanteile unverändert. Die Diffusfelder jedoch addieren sich und das Verhältnis von Direktschall zum Diffusfeld verschlechtert sich auf beiden Seiten.

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PAN ACOUSTICS POWERLINE-TECHNOLOGIE

Die Powerline-Technologie nutzt einfache 2-Leiter Kabelwege, wie sie typischerweise für 100 V-Systeme verwendet werden, und überträgt darüber das Audiosignal, die Steuerparameter für die Konfiguration der DSPs in den Zeilen und den Strom. Letzteres unterliegt Grenzen durch den Widerstand bei großen Kabellängen und dem Strom – bedarf abhängig von der Menge und Größe der Lautsprecher. Aus technischer Sicht besteht die Herausforderung darin, alle Signale so auf einer 2-Draht-Leitung zu übertragen, dass zum einen das Audiosignal nicht gestört wird und zum anderen die Daten- übertragung zuverlässig arbeitet. Probleme können vor allem durch die Stromversorgung auf der gleichen Leitung entstehen, wenn die durch den Stromfluss entstehenden Spannungsabfälle auf der Leitung die anderen Signale stören.

Betrachtet man unter diesen Aspekten das für den Limburger Dom geplante System, dann gibt es hier insgesamt 24 Einheiten im Bereich der Vierung, die alle über eine Leitung versorgt werden müssten. Dabei entspricht eine Einheit einer PB08 mit acht Wegen. Selbst wenn der Weg von der Zentrale in der Sakristei bis zur Vierung nicht weit ist, wäre das zu viel verlangt. Da aber an der Vierung eine 230 V-Stromversorgung bereits vorhanden war, löste sich der Engpass schnell auf. Der Strom kommt in diesem Fall aus der „Steckdose“ und das Audiosignal sowie die Steuerdaten aller Lautsprecher an der Vierung über die 2-Draht-Leitung. Für die Empore gestaltete sich die Lage etwas schwieriger, da für die hinteren Positionen auch die Stromversorgung über die 2-Draht-Leitung erfolgen musste. Insgesamt handelt es sich jedoch nur um zwei PB08, die bei den Längen und Widerständen der Leitungen problemlos anzuschließen waren.

Die am weitesten von der Zentrale in der Sakristei entfernten Lautsprecher sind die Orgelmonitore und die beiden Stützlautsprecher für den Eingangsbereich am Westportal. Als pragmatische Lösung wurde für diese vier Positionen beschlossen, weiterhin mit klassischer 100 V-Technik zu arbeiten. Als Lautsprecher wurde mit der P08 Pi das passive Pendant zu PB08 von Pan Acoustics ausgewählt, so dass eine optische und klangliche Übereinstimmung vorlag. Ebenfalls in 100 V-Technik belassen wurden die Monitorlautsprecher in der Sakristei und im Ankleidezimmer sowie die weiterhin genutzten passiven Zeilen der Bestandsanlage auf dem Umgang des Querhauses und des Chorraumes. Zum Powerline System gehört neben den entsprechenden Lautsprechern noch der Powerline Controller, die Central Control Unit (CCU).

Die CCU kann bis zu vier Linien unabhängig voneinander mit Strom und Audiosignalen versorgen und stellt auch die Schnittstelle zur Konfiguration der Lautsprecher sowie zur Umschaltung der Setups zur Verfügung. Die Anbindung an eine Mediensteuerung ist ebenso möglich wie eine direkte Auswahl der Setups am Gerät. Zur Konfiguration der angeschlossenen PanBeam-Lautsprecher ist ein PC mit der PanBeamSetup-Software per USB Interface mit der CCU zu verbinden.

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Szenarien

Das Problem lässt sich abschwächen, wenn Randbereiche wie die Emporen und Umgänge nur dann beschallt werden, wenn sich hier Zuhörer befinden. Wie auch in anderen großen Räumlichkeiten verbessern sich die Ergebnisse für die Beschallung umgehend, wenn es bei Teilbesetzung gelingt, die Zuhörer zu konzentrieren und nur diese Bereiche zu beschallen. Für Kirchen trifft die Annahme der stark schwankenden Besucherzahlen aber in besonders ausgeprägter Form zu. Werktagsgottesdienste finden meist vor einer kleinen Gruppe Gläubigen statt, an Sonntagen ist die Kirche gut gefüllt und an kirchlichen Feiertagen sowie anderen großen Festveranstaltungen ist jeder Platz bis in den hintersten Winkel besetzt. Im Vorfeld einer möglichen Planungs arbeit sollten daher mit den Verantwortlichen typische Szenarien festgelegt werden, die dann später für die Einstellung der Anlage genutzt werden können.

Neben der Beschallung für die Zuhörer gehören ebenfalls Monitore für den Altar, den Chorbereich und den Organisten dazu. In halligen und großen Räumen ist es für die Akteure wichtig, sich selbst klar und deutlich zu hören. Priester sind hier meist sehr erfahren und geübt. Für ungeübte Sprecher trägt ein guter Monitor jedoch erheblich zu einer sicheren und angepassten Sprechweise bei. Vorleser und Gäste wissen daher eine gute Monitor – beschallung am Ambo oder Vorleserplatz zu schätzen. Dessen sollte man sich bei der Planung bewusst sein, selbst wenn die unterschwellige Angst vor Rückkopplungen beim Thema Monitoring immer mitspielt. Nicht zu vernachlässigen ist auch der Platz an der Orgel. Da die Sicht vom Spieltisch in die Kirche meist eingeschränkt ist, sollte der Ablauf der Messe zumindest akustisch gut verfolgt werden können.

Bei Gesangseinlagen durch den Organisten kommt noch die Funktion als eigener Monitor hinzu. Für den Limburger Dom wurden in Zusammenarbeit mit den Küstern drei Basiseinstellungen festgelegt. Der normale Gottesdienst als Grundeinstellung: Hier werden das Mittelschiff, die Seitenschiffe und das südliche Querhaus beschallt. Das spiegelsymmetrische nördliche Querhaus ist im Normalfall nicht bestuhlt. Der Bereich des Chorgestühls und der Bischofssitz werden in der Grundeinstellung nicht beschallt. In der Einstellung für Festveranstaltungen kommen die Seitenschiffe im Obergeschoss und das nördliche Querhaus sowie der Chorraum hinzu. Falls zu besonderen Anlässen noch der Umgang des Querhauses und des Chorraumes im Obergeschoss geöffnet werden, kann die Beschallung dort zusätzlich aktiviert werden. Letzteres ist jedoch eher die Ausnahme.

Planungsphase

Die Planungsphase für die neue Beschallung des Doms begann im Frühjahr 2016. Die Leitung und Koordination aller Maßnahmen lagen in der Hand des Diözesanbaumeisters und Architekten Tilmann Staudt. Der Komplexität des Objektes angemessen sollte die Planung in jedem Fall durch entsprechende Simulationen begleitet werden. Die Zielsetzung war es, eine moderne, zukunftssichere und gut bedienbare Anlage zu schaffen. Speziell Letzteres ist ein wichtiger Aspekt, da viele moderne Anlagen über eine fast unüberschaubare Menge an Funktionen und Möglichkeiten verfügen, die auch für Nicht- Techniker bedienbar sein sollen. Bevor es an die Neuplanung ging, wurde zunächst der Bestand gesichtet. Hier handelte es sich um klassische Kirchentechnik mit vielen kleinen Zeilenlautsprechern und einem zentralen 100 V-Verstärker.

Auch die Mikrofonierung entsprach noch dem Stand aus den 70er Jahren. Unlängst erneuert wurde der Mischer – hier wurde ein modernes Gerät vom Typ Mastertone von Steffens Systems eingebaut. Der Automatikmischer sollte auch in der neuen Anlage wieder die zentrale Rolle übernehmen und die Signalverteilung steuern. Dank der modularen Bauweise bestand die Möglichkeit, den Mischer an die erweiterten Anforderungen einschließlich Dante Audionetzwerk Interface anzupassen. Wie so oft in historischen Gebäuden wird die Lage schwierig und die Blicke des Architekten werden ernst, wenn es um die Verlegung neuer Kabel geht. Die historische Bausubstanz sollte dabei möglichst gar nicht oder, falls unvermeidlich, nur so wenig wie möglich angefasst werden.

Moderne Laut sprechersysteme für Kirchenbeschallung in Form DSP gesteuerter Lautsprecherzeilen haben unter diesen Aspekten einige Pluspunkte zu bieten, aber auch ihre speziellen Problemstellen. Letzteres sind vor allem die meist notwendigen Zuleitungen für die Stromversorgung, das Audiosignal und das Netzwerk. Ein gerne gesehener Vorteil ist jedoch die insgesamt deutlich geringere Anzahl von Lautsprechern, die mit den modernen Systemen möglich ist. Wo bislang drei oder vier kleine, verteilt angeordnete passive Zeilen erforderlich waren, genügt heute meist eine zentrale große DSP-Zeile. Um für den Limburger Dom in der Kabelfrage die richtige Entscheidung zu treffen, wurden zu Beginn der Planungsarbeiten alle Lautsprecher und Mikrofonleitungen der Bestandsanlage messtechnisch geprüft. Nach kleinen Instandsetzungsarbeiten wurden alle Leitungen für voll funktionstüchtig und weiter verwendbar befunden.

Modellbau

Die komplexe Struktur des Limburger Doms lässt schon nach einem kurzen Blick ins Innere des Sakralbaus den Aufwand für den Modellbau erahnen. Hinzu kommt die, wie so oft bei historischen Gebäuden, schwierige Planlage. Die vorliegenden gescannten Pläne aus dem Jahr 1871 entsprachen zwar weitgehend dem aktuellen Stand des Gebäudes, waren jedoch nur unter großem Aufwand und Hilfe vieler Fotos in ein für die Simulationen taugliches Modell umzusetzen. Ausgeführt wurde der Modellbau durch Martin Peter vom Büro TAC aus Grevenbroich. Das zunächst mit Sketchup erstellte 3D-Modell wurde für die weiteren Berechnungen in die EASE-Simulationssoftware importiert. Diese Vorgehensweise hat sich in den letzten Jahren bei vielen Planern etabliert und führt relativ schnell zu guten Ergebnissen.

Abbildung 1 und 2 zeigen das EASE-Modell des Dominnenraums – einmal von außen betrachtet und einmal von der Orgelempore mit Blick ins Mittelschiff. Das Modell besteht aus insgesamt 14.200 Flächen, die für die EASE Software eine Herausforderung darstellen. Nachdem das 3D-Modell in EASE importiert und allen Raumbegrenzungsflächen entsprechende Materialdaten aus einer Bibliothek zugewiesen waren, galt es noch, das Modell an die tatsächlichen Verhältnisse anzupassen. Da die Materialwerte aus Datenbanken immer nur Anhaltspunkte liefern und teilweise auch mit Schätzwerten gearbeitet werden muss, bietet eine Messung der raumakustischen Verhältnisse vor Ort und die anschließende Anpassung des Modells an diese Messung eine erhebliche Verbesserung der Planungssicherheit.

Die Anpassung im Modell sollte dabei nicht nach einfachen Formeln von Eyring oder Sabine erfolgen, sondern über eine simulierte Nachhallzeitmessung im Modell. Die erforderliche Rechenzeit und der Aufwand mit mehreren Iterationsschritten zur Anpassung sind dabei zwar wesentlich höher, dafür ist das Ergebnis aber auch entsprechend genauer. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der Nachhallzeitmessung mit der Schwankungsbreite in den Werten und die simulierte Nachhallzeitmessung im Modell nach erfolgreicher Anpassung der Materialdaten. Beides gilt jeweils für den leeren Dom ohne Publikum. Der Mittelwert zwischen 250 Hz und 4 kHz liegt bei 4,2 s.

 

Lautsprecherkonzept

Das Lautsprecherkonzept wurde mithilfe von EASE-Simulationen schrittweise erarbeitet. Moderne DSP-gesteuerte Lautsprecherzeilen sollten bevorzugt eingesetzt werden. Für das Erdgeschoss wurde ein Konzept entsprechend Abbildung 4 ausgearbeitet. Das komplette Mittelschiff wird von zwei großen jeweils 3 m langen Zeilen versorgt und die beiden Seitenschiffe von je einer 3 m Zeile. Für den nördlichen und südlichen Teil des Querhauses kommen je zwei 2 m Zeilen zum Einsatz. Der Chorbereich und der Altar werden von 1 m Zeilen beschallt, ebenso wie das Westportal am Ende des Mittelschiffs. Hier waren die Lautsprecher zunächst an den Mittelsäulen eingeplant. Die Positionen wurden dann im Laufe der Planungsarbeiten jedoch an die Seitenwände verlegt, da hier bereits Kabel aus dem Bestand vorhanden waren.

Für die Emporen auf der oberen Ebene war die Länge der Zeilen durch die Deckenhöhe auf 1 m limitiert, so dass hier pro Seitenschiff zwei 1 m Zeilen im Abstand von ca. 10 m als Delay-Line vorgesehen wurden. Zwei weitere 1 m Zeilen wurden für die Orgelempore eingeplant. Für die Umgänge des Querhauses und des Chors wurden zwei Konzepte entwickelt – eines mit DSP-Zeilen und eines mit kleinen dezentralen Lautsprechern. Beide Ansätze wurden aber bereits in einem frühen Planungsstadium verworfen, da der Bereich des Umgangs nur äußerst selten genutzt wird. So beschloss man, für den Umgang die aus der Altanlage noch vorhandenen und gut funktionierenden passiven Zeilen von Steffens und Klein+Hummel weiter zu nutzen. Die Entscheidung wurde von allen Seiten wohlwollend aufgenommen, da speziell dieser Bereich unverhältnismäßig hohe Kosten bei gleichzeitig eher geringem Nutzen verursacht hätte.

 

Das Konzept für die Lautsprecheranordnung stand somit fest. Die Längen der einzelnen Zeilen ebenfalls. Diese ergibt sich aus der einfachen Regel, dass für je 10 m Reichweite ca. 1 m Zeilenlänge benötigt wird. Die Simulationen wurden anschließend mit den DSP-Zeilen mehrerer bekannter Hersteller gerechnet. Die Ergebnisse wiesen erwartungsgemäß nur geringe Unterschiede auf. Diese Feststellung konnte auch in anderen Zusammenhängen schon gemacht werden: Für vergleichbare Längen und Einstellungen lagen die Ergebnisse unabhängig von den jeweiligen Herstellern in einer sehr vergleichbaren Größenordnung. Für die Auswahl der Lautsprecher entstand so die angenehme Situation, weitgehend nach peripheren Gesichtspunkten entscheiden zu können. Da wäre zum einen das optische Erscheinungsbild der Lautsprecher zu nennen, das sich bei gegebener Länge primär in der Querschnittsfläche unterscheidet.

Der zweite wichtige Aspekt sind die Anschlussmöglichkeiten. Der überwiegende Teil der neuen Lautsprecher konzentriert sich an den Säulen der Vierung um den Altar. Dort gab es jeweils am Boden direkt neben den Säulen Stromanschlüsse, womit bereits eine große Hürde genommen war. Eine Signalleitung zu den Säulen der Vierung war ebenfalls vorhanden – jedoch lediglich eine gemeinsame, nicht geschirmte Leitung der alten 100 V-Anlage für alle Lautsprecher. Ohne weitere Signalleitungen verlegen zu müssen, bestand somit nur die Möglichkeit, die Konfiguration und Auswahl der Szenen-Setups in die Lautsprecher zu verlagern, da der Mastertone-Mischer mit nur einer Zuleitung an dieser Stelle keine Variationen mehr zugelassen hätte.

Damit lag das nächste Problem auf dem Tisch. Die Lautsprecher benötigten für eine zentral gesteuerte Umschaltung der Setups einen Netzwerkanschluss, was auch wieder neue Kabel bedeutet hätte. Gleiches galt für die Lautsprecher auf den Emporen, wo zwar eine Signalleitung vorhanden war, aber kein Netzwerk – und auf der hinteren Position auch kein Strom. Mögliche Optionen für das Netzwerk per WLAN schienen zu unsicher und wurden verworfen. Eine Lösung ergab sich dann mit der Powerline Technologie von Pan Acoustics. In Kombination mit dem optisch dezenten Erscheinungsbild der Pan Beam Lautsprecher führte das zu der Entscheidung für das Pan Acoustics Produkt.

 

Simulationen

Die EASE-Simulationen wurden als Grundlage für die Erstellung des Beschallungskonzeptes eingesetzt. In der üblichen Vorgehensweise wurden zunächst die Lautsprecherpositionen festgelegt und anschließend deren Einstellungen für das Beamforming und die Filterung dazu passend gewählt. Die Zielsetzung dabei war es, in einem ersten Ansatz eine möglichst gleichmäßige Pegelverteilung für den Direktschall für die wichtigen mittleren und hohen Frequenzen zu erreichen. Abbildung 6 zeigt dazu das berechnete Direktschall Mapping für alle Hörerflächen mit Ausnahme des Umgangs. Die Verteilung ist nahezu flächendeckend und gleichmäßig. Einige kleine schwarze Flächen weisen auf Abschattungen hin, die durch die mächtigen Säulen im Erdgeschoss unvermeidlich sind.

 

 

In einem späteren Arbeitsschritt wurden der Gesamtschallpegel und die Sprachverständlichkeit berechnet. Für verlässliche Ergebnisse der EASE-Simulationen sollte die Berechnung mit dem kombinierten Spiegelquellen- und Schallteilchenverfahren AURA ausgeführt werden. Ebenfalls zu beachten ist eine hinreichende Länge der berechneten Impulsantworten (hier 3,9 s), die mindestens 2/3 der Nachhallzeit betragen sollte. Die Mappings aus Abbildung 7 und 8 zeigen den Gesamtschallpegel zusammen mit dem gemittelten Frequenzgang und die Sprachverständlichkeit als Mapping und als Distribution. Die Sprachverständlichkeit wurde als STI-Wert ohne Maskierung und ohne Störpegel berechnet, da beides bei typischen Kirchenbeschallungen keinen Einfluss hat.

Der Störpegel ist in der Regel sehr gering und die erforderliche Beschallungslautstärke liegt deutlich unterhalb der Pegelwerte, wo die Maskierung beginnt, einen Einfluss zu zeigen. Die so berechnete Sprachverständlichkeit für den Festtagsgottesdienst in großer Besetzung beträgt ohne Altar und Chor im Mittel 0,57 bei einer Standardabweichung von 0,04. Die Berechnungen erfolgten für den besetzten Zustand. Im einfachen Vergleich mit anderen großen Kirchen mag der Wert zunächst eher mittelprächtig erscheinen. Bedenkt man jedoch die schwierigen akustischen Verhältnisse mit beschallten Emporen und vielen, eher kleinen Teilbereichen, dann relativiert sich das Ergebnis. Die Simulationsergebnisse für die Sprachverständlichkeit bestätigten sich indirekt durch den Vergleich der Messung und Simulation für den leeren Dom ohne Zuhörer beim Betrieb der kompletten Anlage für alle Bereiche. Die Simulation lieferte hier einen Wert von 0,51 und die Messung von 0,50 als Mittelwert abzüglich der Standardabweichung.