Opern-Akustik: 3D-Sound in der Oper Zürich

Im Zürcher Opernhaus können die Besucher seit geraumer Zeit 3D-Sound über ein SpatialSound Wave-System von Fraunhofer-IDMT erleben. Mit einer neuen Version lässt sich sogar die Raumakustik beeinflussen.

Gerade in der Oper ist die Sensibilität für einen natürlichen Klangeindruck sehr hoch, auch wenn es um Einspielungen und Effekte geht. In einer solchen Umgebung arbeitet das objektbasierte Beschallungssystem SpatialSound Wave im großen Saal des Opernhauses Zürich und damit in einem Haus mit einem internationalen Renommee, einer langen Liste an berühmten Uraufführungen, Dirigenten und Sängern von Weltklasse. Dabei ist es keine Zauberei, dass hier Klänge durch den Saal wandern und Sängerinnen Duette mit sich selber singen können. Die Wurzeln hat SpatialSound Wave in der Wellenfeldsynthese (s. a. Artikel „Immersive Sound: Raumsound in der Festinstallation“), beruht also auf physikalischen Grundlagen. Es werden jedoch nicht so viele Lautsprecher eingesetzt und es gibt die dritte Klangdimension, wenn Lautsprecher auch in der Decke positioniert werden.

Zeitgenössische Opern und Inszenierungen sind dabei nur ein Einsatzbereich. Objektbasierte Wiedergabesysteme kommen auch in Kinos und Planetarien zum Einsatz, sind für Effekte in Eventparks und Theatern prädestiniert, können Live-Veranstaltungen und Produktpräsentationen gestalten und zusammen mit dem Bild dreidimensionale Erlebniswelten schaffen.

Die neuste Version von SpatialSound Wave erweitert zudem die Möglichkeiten, die Raumakustik variabel zu gestalten. Die Installation im Opernhaus Zürich ist aus zwei Gründen für Installationen allgemein ein gutes Beispiel: Von hohen Ansprüchen an die klangliche Qualität kann man in diesem Arbeitsbereich ausgehen und im historischen Saal war keine „Lehrbuch“-Verteilung der Lautsprecher möglich. Das System muss sich in den Saal einfügen und nicht umgekehrt. Beim Besuch vor Ort erklärte René Rodigast, Gruppenleiter Professional Audio des Fraunhofer-IDMT, das System und die Neuerungen. Oleg Surgutschow, Tonmeister und Leiter der Abteilung für Bild und Ton des Opernhauses Zürich, berichtete über den Einsatz und die Erfahrungen.

Arbeitsumgebung Opernhaus Zürich

Das Opernhaus in Zürich arbeitet schon seit 2013 mit SpatialSound Wave. Auslöser für die Anschaffung waren die Anforderungen der Oper „Die Soldaten“ von Bernd Alois Zimmermann, die unterschiedliche Lautsprechergruppen im Saal verlangt. Bei der Überlegung, ob mieten oder kaufen, entschied sich das Opernhaus für das Kaufen, um für die Ansprüche zeitgenössischer Inszenierungen und Opern gerüstet zu sein. „Sobald Komponisten und Dirigenten davon erfahren, dass es so eine Möglichkeit gibt, springen sie darauf an“, berichtete Oleg Surgutschow. „Es ist ein Werkzeug, das man früher nicht hatte oder für das man lange basteln musste. Jetzt funktioniert es per Mausklick. Das ist faszinierend. Dirigenten und Komponisten, die für die Oper Auftragskompositionen schreiben, nutzen die Möglichkeiten des SSW-Systems.“

Bedingt durch das historische Ambiente des großen Saals im Opernhaus Zürich aus dem Jahre 1891 mit stoffbespannten Wänden, Ornamenten und Skulpturen gab es keine freie Auswahl der Lautsprecherpositionen rein nach elektroakustischen Gesichtspunkten. Vielmehr werden vorhandene Lautsprecher ins System eingebunden und es sind Lautsprecher dort positioniert, wo sie nicht auffallen. Die drei hufeisenförmigen Ränge mit Logen in den unteren beiden und aufsteigenden Sitzplätzen im oberen Rang sind mit d&b E4 ausgestattet, die rundum im Übergang zwischen Decke und Wand montiert sind. Das aufsteigende Parkett wird mit E4 am ersten Rang und hinter den Säulen versorgt, da der Abstand zu den Sitzplätzen hier zu gering war. Deshalb strahlen die Lautsprecher Richtung Wand. Insgesamt kommen 66 E4 zum Einsatz.

Auch die Lautsprecher auf der Bühne, u. a. d&b C4 auf der Hinterbühne sind in das SSW-System eingebunden. Weitere C4 sind in der Kuppel oberhalb des Kronleuchters. In der Decke sind außerdem elf d&b E3 in den „Medaillons“ versteckt. Im rechten und linken Portal befinden sich jeweils zwei d&b 24C und eine 16C. Bei einem Großteil der Aufführungen übertragen sie Ansagen und Playbacks z. B. beim Ballett. Nur bei ca. 10 % der Produktionen kommen Line-Arrays mit jeweils sechs d&b Q1 zum Einsatz, die dann extra gehängt werden. Um auch Live-Signale in die SSW-Wiedergabe einzubinden, sind zwei Schoeps-Mikrofone mit Kugelcharakteristik über dem vorderen Bereich der Bühne und Orchestergraben positioniert.

Das System – Quellen, Lautsprecher und Rechner

Quellsignale können bei SpatialSound Wave (SSW) sowohl vom „Band“ als auch von Mikrofonen kommen. Die Anzahl und Position hängen von den Anforderungen ab. Im Opernhaus Zürich kommt man z. B. mit zwei Mikrofonen über der Bühne aus, in anderen Anwendungen liegt die Anzahl bei 6–8. Im Vergleich zur theoretischen Grundlage Wellenfeldsynthese nutzt das SSW deutlich weniger Lautsprecher. Wichtig ist allerdings schon, dass die Lautsprecher so angeordnet sind, dass sie die Zuhörer umgeben. Sie müssen in gewissen, möglichst gleichmäßigen Abständen um die Zuhörer herum und für die dritte Dimension auch über deren Köpfen positioniert werden. Wie eng die Abstände zwischen den Lautsprechern zu wählen sind, hängt von der Präzision ab, mit der Quellen an einer bestimmten Position lokalisiert werden sollen.

„Auch bei Abständen von 10 m zwischen den Lautsprechern erzielt man immer noch einen räumlichen Effekt, die Präzision und die Auflösung gehen aber verloren“, erläuterte René Rodigast. „Bei großen Abständen stößt man an die Grenzen und es gibt doch Sweetspots, so dass nicht alle Zuhörer von ihrer Position unabhängig hören. Erfahrungswerte besagen, dass der Abstand der Lautsprecher nicht größer als der Abstand zu den Zuhörern sein sollte. Der große Saal in der Oper Zürich ist aber ein gutes Beispiel, dass es auch anders funktioniert, denn hier konnten wir keine Regeln anwenden.“ Das Herzstück des Systems ist ein möglichst leistungsfähiger Rechner, der mit Linux als Betriebssystem arbeitet, um bei all den komplexen Berechnungen die Latenzzeit kurz zu halten. „Wir haben uns weniger als 5 ms als Messlatte gesetzt“, berichtete René Rodigast. „Dazu braucht man schnelle Rechner.“ Durch die Rechenleistung wird auch die Kanalanzahl begrenzt.

32 Eingangssignale und 64 Ausgangssignale lassen sich bearbeiten, wobei „klassische“ Signalbearbeitungsfunktionen wie Delays, Limiter und Equalizer in den Ausgängen auch zum Funktionsumfang gehören. „Im Prinzip wären mit noch leistungsfähigeren Rechnern auch 64 Eingangskanäle möglich“, so René Rodigast. Bis zu 16 Eingangssignale können in der Bearbeitung der Raumakustik eingebunden werden, gleichzeitig mit 16 Objekten im Raum. Der Signalaustausch mit dem Rechner erfolgt per MADI oder Dante. „Wir sind da offen, aber es gibt lediglich für MADI und Dante Schnittstellenkarten mit Linux-Treiber“, sagte René Rodigast.

Die neuen Raumakustikfunktionen

Mit den neuen Raumakustikfunktionen in der Version 3.0 wird SSW auch für Installationen interessant, in denen es nicht um räumliche Effekte geht. „Wir kommen aus dem Liveund auch dem Planetariumsbereich“, berichtete René Rodigast. „Die neue Version des SSW kommt jetzt auch für Räume in Betracht, die eine variable Nachhallzeit brauchen.“ Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist ein Saal, der in der Regel mit kurzer Nachhallzeit für Sprachveranstaltungen genutzt wird, aber auch mal für ein klassisches Konzert einen voluminöseren Klang erhalten soll. Zu diesem Zweck sind differenzierte Einstelloptionen vorhanden: „Frühe, späte und die diffusen Anteile des Nachhalls lassen sich einzeln einstellen in der Software“, erläuterte René Rodigast. „Die frühen Reflexionen verschieben sich mit der Quelle, man kann sie auf der Software-Ebene genau auf die räumlichen Gegebenheiten anpassen. Die späten und die diffusen Reflexionen werden zunächst statisch gerechnet.

Sie enthalten weniger Richtungsinformationen und sind auf den Raum angepasst. Es gibt jetzt viel mehr Gestaltungsmöglichkeiten. Man kann z. B. frühe Reflexionen einzeln verwenden, um die Sprachverständlichkeit zu erhöhen oder Delays und EQs zur zeitlichen und tonalen Anpassung einsetzen. Das ist ganz wichtig, wenn man z. B. einen regenerativen Hall einstellen möchte, um das System möglichst schnell stabil ohne Rückkopplungen zu bekommen.“

Bedienung und Einstellung

Für die Einstellung stehen verschiedene, webbasierte Applikationen zur Verfügung, die auf unterschiedliche Einsatzbereiche optimiert sind. Optionen finden sich in „Spatial Production“, Funktionen für Konzerte und Aufführungen in „Spatial Live“. Die Applikationen sind mit graphischen 3D-Ansichten (Quellen, Lautsprecher, Status-Anzeigen, Bedienelemente für die Signalbearbeitungsfunktionen und Automatisierung per Timecode) für Google Chrom oder Safari optimiert, können also auf Windows- oder Mac-Basis laufen. Auf einem Touchpanel kann man z. B. an einem beliebigen Ort im Saal mit dem „kleinen“ Finger ein Orchester hörbar durch den Saal wandern lassen. Nach Programmierung und Automatisierung kann die Bedienung im Einsatz einfach gestaltet werden, z. B. durch ein einfaches Umschalten zwischen unterschiedlichen Presets.

Erfahrungen

„In der Oper hat man kaum Zeit, auszuprobieren“, sagte Oleg Surgutschow. Es gibt vier Orchesterproben im Saal, danach eine Durchlaufund eine Generalprobe. Außerdem müssen Einstellungen sicher reproduzierbar sein. Es gibt um die 300 Vorstellungen im Zweispartenhaus, unterschiedliche Opern- und Ballett- Aufführungen wechseln sich ab. „Die Zeit ist knapp“, erklärte Oleg Surgutschow. „Deshalb darf das System nicht zu kompliziert sein, aber muss gleichzeitig viele Sachen ermöglichen. Die Bedienung muss möglichst einfach und benutzerfreundlich sein. Wir haben mit der Version, die wir bisher eingesetzt haben, positive Erfahrungen gemacht, man richtet das System recht schnell ein.“

Der Besuch des Opernhauses Zürichs fand an einem der wenigen Tage im Jahr ohne Proben oder Aufführungen statt. Dieser Tag wurde zum Einrichten und Ausprobieren der neuen Version mit den Raumakustikfunktionen genutzt. Und so hörte man neben dem Gespräch das ein oder andere Instrument oder Ensemble durch den Saal spazieren, in angenehmem Klang – jedoch von ungewöhnlichen Orten. „Die Gewichtung und der Klangeindruck sind mit Orchester und Sängern auf der Bühne anders, das muss man beim Einrichten berücksichtigen“, berichtete Oleg Surgutschow. „Das Positionieren von Quellen im Raum funktioniert gut, solange man sie nicht in einen toten Winkel setzt.“ Einen solchen gibt es im großen Saal in der Mitte des Portals – dort kommt es zu Auslöschungen. Um die horizontale Ortung und Balance zum Bühnengeschehen für die Zuhörer auf den unterschiedlichen Ebenen vom Parkett bis 2. Rang gleich einzustellen, werden die Quellen auf verschiedenen zweidimensionalen Ebenen platziert. Mit den Lautsprechern in der Decke können dreidimensionale Klangbilder erzeugt werden.

Im nächsten Schritt soll die Raumakustik optimiert werden, denn eigentlich ist sie mit um die 1,2 Sekunden im mittleren Bereich ein wenig kurz für die Oper. Ursprünglich wurde der Saal als Sprechtheater gebaut. „Ich habe schon einiges ausprobiert und es ist sehr interessant“, berichtete Oleg Surgutschow. „Ich muss aber ausgereifte Konzepte erarbeiten, bevor ich eine Anpassung der Raumakustik bei Vorführungen anbiete. Damit sie qualitativ gut sind und akzeptiert werden von Dirigenten und Musikern.“

SpatialSound Wave

SpatialSound Wave, kurz SSW, ist ein objektbasiertes Produktions- und Wiedergabesystem. Objektbasiert bedeutet in diesem Falle, dass Schallquellen bzw. -objekte an beliebige Positionen in einem Raum gestellt werden mit dem Ziel, dass sie von allen Zuhörern unabhängig von der Hörerposition am selben Ort wahrgenommen werden. Die Lautsprecher werden so im Raum verteilt, dass sie eine möglichst gute Positionierung von Schallobjekten ermöglichen. Im Idealfall kann der Tonschaffende auf seiner Bedienoberfläche ein Schallobjekt an eine beliebige Position in seinem 3D-Raummodell verschieben und alle Zuhörer hören das entsprechende Signal an derselben Position.

Der Tonschaffende denkt also vom Objekt aus und nicht von den Lautsprechern aus, die z.B. in einer herkömmlichen Stereo-Anordnung nur eingeschränkt und nicht für alle Hörer gleich die Positionierung von Quellsignalen an unterschiedlichen Positionen zulassen. Aus dieser Arbeitsweise folgt die Bezeichnung objektbasiert. SSW wurde vom Fraunhofer-IDMT entwickelt. Die niederländische Firma Vanmunster BV / Astro Spatial Audio vertreibt das System unter dem Namen Astro Spatial Audio. Mit dem Fraunhofer- IDMT als Entwickler hat das SSW die selben Wurzeln wie das das ATMOSPHEA von der Firma Shure und das IOSONO von der Firma Barco.