TechTalk No8

TechTalk No8 03-05.2011

Willkommen beim TechTalk - dem regelmäßig erscheinenden Newsletter von ari acoustics. TechTalk erläutert technische Grundlagen und Hintergründe und stellt neue Produkte vor. TechTalk soll auch zur Diskussion anregen. Schreiben Sie uns Ihre Anregungen, Fragen und Korrekturen.

TechTalk No1:
Welche Lautstärke soll eine Hifi-Anlage im Hörraum bzw. an der Position des Hörers im Hörraum erzielen?

TechTalk No2:

Welche Lautsprecher und Verstärker benötige ich für Hifi-gerechte Lautstärke in meinem Raum?

TechTalk No3:

Welchen Einfluss hat das Bündelungsverhalten meines Lautsprechers und das Absorptionsverhalten des Hörraumes auf Lautstärke und Frequenzgang?

TechTalk No4:

Welche Verstärkerleistung verkraftet mein Lautsprecher - Elektrische Belastbarkeit von Lautsprechern

TechTalk No5:

Interview mit Allen Isaaksen, Chef von Wavecor

TechTalk No6:

Basswiedergabe in Wohnräumen und Auslegung eines Subwoofers mit dem Wavecor SW182BD01/02

TechTalk No7:

Aero2D - die strömungsgünstige Bassreflexöffnung

TechTalk No8:

Die HDSP-Line – mit High End Digital Signal Processing zur optimalen Basswidergabe


Übersicht:

Heutige Subwoofer sind mit ihren steifen Membranen und starken Magnetantrieben außerordentlich leistungsfähig. Werden sie durch starke Schaltverstärker angetrieben, so erreichen sie beeindruckende Schallpegel. Dabei wird eine sehr tiefe untere Grenzfrequenz bei kleinen Gehäuseabmessungen erreicht. Gute Subwoofer machen richtig Druck – aber klingen sie auch „musikalisch“?

Musikalisch ist hier ein wichtiger Punkt. Beim Heimkino ist in erster Linie der ausreichende Schalldruck in den tiefsten Lagen entscheidend. Für eine überzeugende Musikwidergabe ist dagegen ein ausgeglichener Frequenzgang wichtig. Zudem spielt das zeitliche Verhalten, das korrekte Timing, für ein bruchloses Zusammenspiel mit den Satellitenlautsprechern eine entscheidende Rolle.

Hier kommt die Raumakustik mit ins Spiel – und zwar gewaltig! Im folgenden TechTalk8 soll aufgezeigt werden, wie bedeutend die Raumakustik ist und welche Möglichkeiten durch die Digitale Signalbearbeitung gegeben sind.

1. Subwoofer mit dem Wavecor SW223BD01

Start der Betrachtung ist ein kompakter Subwoofer mit 27l Innenvolumen und zwei Passivmembranen. Die optimale Konfiguration für einen tiefreichenden bass aus kleinstem Gehäuse. Die Auslegung erfolgt entsprechend TechTalk No6.

Vor- und Nachteile von Bassreflexsystemen mit Passivmembran (BRP)

+ niedrige Bassreflexabstimmung in sehr kleinen Gehäusen

+ geringere Verzerrungen (bei ausreichender Membranfläche der Passivmembran)

+ keine Strömungsgeräusche

- höhere Kosten als ein Bassreflexsystem mit gleicher Auslegung

- Überlastung der Passivmembran durch zu große Auslenkung möglich

Auslegung des BRP

Das BRP arbeitet wie ein Bassreflexsystem, wobei die Passivmembran die Aufgabe des Bassreflexkanals übernimmt. In der Impedanzkurve sind wie beim Bassreflexsystem zwei Impedanzspitzen sichtbar. Die Abstimmung wird durch Gewichte erreicht die an der Passivmembran befestigt werden. Durch diese Art der Abstimmung kann die Gehäusegröße in weiten Grenzen frei gewählt werden. Dies verdeutlichen die folgenden zwei Rechnungen


Die Simulation eines BRP mit 27 l Volumen und zwei Passivmembranen PR223 führt auf den in Bild 1 dargestellten Frequenzgang. Bereits ohne elektronische Eingriffe wird eine untere Grenzfrequenz von rund 22 Hz erreicht.

Der Schalldruckverlauf mit Korrekturfilter zeigt Bild 3. Bei 26Hz werden maximal 98 dB erreicht und eine untere Grenzfrequenz von 24Hz (-6dB zum Spitzenpegel!). Der hierzu notwendige Spannungsverlauf an der Ausgangsklemme des Verstärkers zeigt Bild 2. Wie bei den bisherigen Rechnungen auch, wird die Tiefbassanhebung durch ein steilflankiges Subsonicfilter begrenzt. Trotzdem ist auch hier die maximale Auslenkung der Membranen von Tieftöner und Passivmembran zu beachten. Um die angestrebte Tieftonleistung sicher zu stellen, müssen 2 Passivmembranen verwendet werden. Die Auslenkung der Membranen zeigt Bild 4. Trotz Verwendung zweier Passivmembranen erreichen diese eine beachtliche Auslenkung von 12 mm! Die Passivmembranen verdoppelt die abstrahlende Membranfläche wodurch der maximale Schallpegel um 2dB – 3dB auf 105dB erhöht wird. Damit ist der Subwoofer für die Anwendungen, bei denen es nicht auf brachialen Schalldruck ankommt, ausreichend dimensioniert.

Bild 1: Schalldruckverlauf SW223BD01 in 27l Bassreflex Gehäuse mit 2 Passivmembranen, Fbr = 26Hz. 2 Watt Eingangsleistung. Raumvolumen 62cbm (25qm, 2.5m Raumhöhe).

Bild 2: Spannungsverlauf des elektrischen Korrekturfilters bei 200W Verstärkerleistung.

Bild 3: Schalldruckverlauf mit 2 Passivmembranen und elektronischem Filter zur Bassanhebung und Tiefbassbegrenzung. Raumvolumen 62cbm (25qm, 2.5m Raumhöhe).

Bild 4: Auslenkung der zwei Passivmembranen (blau) und der Lautsprechermembran (rot). Die Membranauslenkung wird zu tiefen Frequenzen hin durch das steilflankige Subsonicfilter begrenzt

Soweit die Theorie. Die gemessenen Frequenzgänge des Systems ohne Raumeinfluss zeigt Bild 5. Der bis 24Hz reichende Frequenzgang entspricht dem Simulationsergebnis. Der Frequenzgangabfall darunter sich jedoch deutlich steiler, da kein Raumeinfluss zu einer Tiefbassanhebung führt. Wie die Simulation zeigt auch die Messung, dass die Passivmembranen nur im Bereich unterhalb 40Hz deutlich zur Widergabe beitragen.

Bild 6 zeigt die gemessenen Verzerrungen bei 90dB Schallpegel. Die Verzerrungen, insbesondere die klanglich problematischen K3 Verzerrungen, sind herausragend gering. Das Chassis ist bi 1kHz absolut störungsfrei und ohne Resonanzen! Hier zeigen sich die Vorteile des Balanced –Drive Antriebs und der aufwändigen Linearisierungsmaßnahme (die ein großes Magnetsystem und enge Fertigungstoleranzen erfordern und den Preis des Chassis erklären).

So weit so gut – Aber wie verhält sich der Subwoofer im Raum?

Bild 5: SW223 mit 2 Passivmembranen im 27l-Gehäuse. Grün: Frequenzgang des Systems, Schwarz: Frequenzgang des Tieftöners, Blau: Frequenzgang der Passivmembranen.

Bild 6: Verzerrungsverhalten bei 90dB Schallpegel (4.9V). Grau: K2, Rot: K3.


2. Subwoofer im Raum

Für die Widergabe des Bassbereichs ist nicht nur der Subwoofer, sondern auch der Raum und die Aufstellung entscheidend. Es gibt viele Abhandlungen über die ideale Platzierung des Subwoofers und die Optimierung der Raumakustik und es ist ganz klar, dass die optimale Platzierung in einem optimalen Raum der Königsweg zum guten Klang ist. Aber in der Regel gibt es in einem Wohnzimmer bei dessen Möblierung die gesamte Familie mitdiskutiert nicht sehr viele Möglichkeiten des Subwoofer zu platzieren. Ein Umbau des Wohnzimmers nach akustischen Gesichtspunkten ist aus denselben Gründen auch meist nicht möglich. Es bleibt also nur die optimale Abstimmung des Lautsprechers auf den Raum und den Ort der Aufstellung. Das soll im Folgenden betrachtet werden.

Bild 7 zeigt den an der Hörposition gemessenen Frequenzgang des Subwoofers. Dieser ist in der Mitte an der schmalen Seite des Hörraums platziert. Der Hörraum ist 25qm groß und auch im Bassbereich sehr gut bedämpft (Bild 8). Die akustischen Gegebenheiten sind also deutlich besser als in den meisten Wohnzimmern. Wird der Lautsprecher ohne Frequenzweich betrieben (lila Kurve), so ergibt sich durch den tiefbass-verstärkenden Raumeffekt eine untere Grenzfrequenz von 20Hz! Allerdings führt dieser im Bereich von 50Hz bis 80Hz eine Überhöhung von 8dB. Diese ist sehr deutlich hörbar und dominiert den Bassbereich. Zudem ergibt sich eine Überhöhung der unteren Mitten um ebenfalls 8dB. Dies beeinträchtigt den Übergang zum Satelliten. Der Frequenzgang am Hörort im Raum hat also mit dem Frequenzgang des Lautsprechers nicht sehr viel zu tun. Der Lautsprecher liefert nur die Basis, die Modulation übernimmt der Raum. Durch konventionelle Filter, die lediglich als Subsonicfilter oder Tiefpassfilter wirken, ist dies nicht in den Griff zu bekommen (grüne Kurve). Eine korrekte Anpassung erfordert ein exakt abgestimmtes Korrekturfilter. Was mit dem Hypex DSP-Verstärker möglich ist zeigt die rote Kurve. Ein solchermaßen ausgeglichener Bassbereich wirkt sich klanglich sehr deutlich aus. Er ist zurückhaltend und nicht dominierend, perfekt integriert und abgrundtief. Er wird natürlich nicht gewaltiger und beeindruckender, sondern feiner, exakter und musikalischer.

Natürlich ist die elektronische Korrektur kein Allheilmittel. Die Korrektur gilt natürlich nur in einem begrenzten Bereich rund um die Messposition und nicht im ganzen Raum. Zudem kann die Korrektur nicht alle Frequenzgangfehler, sondern nur minimalphasige Frequenzgangfehler beseitigen. Doch dazu mehr in den folgenden Kapiteln.

Bild7: Frequenzgang des Subwoofers in einem 25qm Hörraum, geglättet mit 1/6 Oktave. Lila: Breitbandige Ansteuerung ohne Frequenzweiche; Grün: Ansteuerung mit Subsonicfilter (20Hz, 24dB/Oktave) und Tiefpass (150Hz, 24dB/Oktave); Rot: Ansteuerung mit komplexem Korrektufilter.

Bild 8: RT30-Nachhallzeit des Hörraums. Ungewöhnlich stark bedämpfter Hörraum bis in den Bassbereich.


3. Ermittlung eines Korrekturfilters

Um ein geeignetes Korrekturfilter zu finden soll erst mal das Verhalten des Lautsprechers im Raum etwas näher analysiert werden. Hierzu wird die ungeschminkte Wirklichkeit betrachtet und der ungeglätteten Frequenzgang mit ausreichender Frequenzauflösung (kleiner 2Hz) herangezogen.

Bild 9 zeigt den ungeglätteten Frequenzgang mit Subsonicfilter bei 20Hz und einem Tiefpassfilter mit 24dB/Oktave Flankensteilheit bei 150Hz. Dies entspricht eine typischen Konfiguration mit konventionellem Subwooferverstärker. Deutlich zu erkennen sind scharfe Einbrüche und etwas breitere Überhöhungen. Mit zunehmender Frequenz folgen Überhöhungen und Einbrüche immer dichter aufeinander. Die Frage ist also: Welche „Unregelmäßigkeiten“ sollen mit den elektronischen Filtern korrigiert werden?

Bild 9: Ungeglätteter Frequenzgang eines Subwoofers im Raum. Subsonicfilter bei 20Hz und Tiefpassfilter bei 150Hz, jeweils 24dB/Oktave Flankensteilheit

Einen ersten Hinweis gibt Bild 10. Dieses zeigt den Frequenzgang direkt zum Zeitpunkt der Schallabstrahlung und in definierten Zeitabständen danach. Es zeigt also wie schnell der Schall im Raum abklingt – je schneller, desto konturierter und trockener klingt der Bass. Bei genauer Betrachtung fällt auf, dass bei den tiefen Einbrüchen bei 28Hz und 38 Hz in den ersten Millisekunden der Schall gar nicht abfällt sondern sich verstärkt. Auch danach klingt der Schall nur recht langsam ab. Dies mahnt zur Vorsicht. Würde man diesen schmalen Frequenzbereich stark anheben, so würde man ein verbessertes Messergebnis mit einer länger anhaltenden Resonanz „bezahlen“. Zudem benötigt man eine enorme Verstärkerleistung und überlastet den Lautsprecher. Kurz und gut: Finger weg von schmalbandigen Frequenzgangeinbrüchen. Anders sieht es bei den Frequenzgangüberhöhungen aus. Bei der vorliegenden Messung fällt im Frequenzbereich zwischen 50Hz und 75Hz der Schalldruck schön schnell ab. Dieser Bereich ist also zwar etwas vorlaut, macht sonst aber keine Probleme. Der Frequenzgang kann korrigiert werden.

Bild 10: Abklingen des unkorrigierten Subwoofers. Subsonicfilter bei 20Hz und Tiefpassfilter bei 150Hz, jeweils 24dB/Oktave Flankensteilheit

Eine etwas andere Darstellung derselben Sachverhalte zeigt das Sonogramm in Bild 11. Die horizontale Achse stellt die Frequenz dar, die vertikale Achse die Zeit und die Farbe kennzeichnet den Schalldruck. Gebirgszüge die weit nach oben reichen kennzeichnen eine länger anhaltende Resonanz, eine ungleichmäßige Farbgebung einen unregelmäßigen Schalldruck. Bei den allertiefsten Frequenzen ist der Schalldruckabfall etwas geringer als im Mitteltonbereich. Dies ist eine Folge der geringeren Bedämpfung des Hörraumes in diesem Bereich (im Vergleich zum sehr stark bedämpften Mittelton- und oberen Bassbereich).

Bild 11: Sonogramm des unkorrigierten Subwoofers

Eine etwas mathematischer abgeleitete Analyse zeigt Bild 12. Dargestellt ist der frequenzabhängige Phasenverlauf beziehungsweise die hierdurch verursachte Gruppenlaufzeit des Signals. Bei einem minimalphasigen System hängt dieser Phasenverlauf direkt mit dem Frequenzgang zusammen. Wird der Frequenzgang mit minimalphasigen Filtern korrigiert, so korrigiert sich der Phasenverlauf mit. Ein vollständig minimalphasiges System kann kann mit minimalphasigen Filtern vollständig korrigiert werden. Alle Filter der DSP-Sektion des Hypex Verstärkers sind solche minimalphasigen Filter.

Ein Subwoofer ist ein solch minimalphasiges System. Im Hörraum können aber zusätzliche, zeitverzögerte Reflexionen auftreten, die Phasenstörungen hervorrufen. Diese Zusatzphase wird auch als „excess phase“ bezeichnet und verursacht eine zusätzliche excess Gruppenlaufzeit. Diese kann mit minimalphasigen Filtern nicht korrigiert werden. Bild 12 zeigt nun diese excess Gruppenlaufzeit im Bereich um 38Hz und um 120Hz auf. Dies sind die Bereiche kräftiger Senken, die nicht korrigiert werden können. Bild 12 unterstützt also die Analyse von Bild 10 und Bild 11 – so sollte es ja auch sein.

Die Aufstellung eines Subwoofers mit aktiver Entzerrung sollte so sein, dass die Wiedergabe möglichst vollständig minimalphasig ist – unabhängig vom resultierenden Frequenzgang. Dieser wird dann eben mit minimalphasigen Filtern korrigiert. Hierdurch ergibt sich dann der korrekte Frequenz- und Phasengang.


Bild 12: Phasengang an der Hörposition (lila) und excess phase (schwarz)


Nun ist die Korrekturstrategie also klar: Korrektur der Peaks. Das Ergebnis eines ersten Versuchs zeigt Bild 13. Die Spitzen sind abgesenkt und der Frequenzgang entspricht wesentlich besser dem gewünschten Verlauf. Bild 14 und Bild 15 zeigt das hervorragende Abklingverhalten. Lediglich das etwas verzögerte Ausschwingen im Bereich um 40Hz tritt etwas mehr in Erscheinung.

Bild 13: Frequenzgang mit Korrekturfilter, blau: Zielfrequenzgang (relevant ab 20Hz), gelb: gemessener Frequenzgang.

Bild 14: frequenzangängiges Abklingverhalten des korrigierten Lautsprechers

Bild 15: Sonogramm des korrigierten Lautsprechers. Verzögertes Ein- und Ausschwingen bei 38Hz.

Bild 16 zeigt den Frequenzgang bei etwas modifiziertem Korrekturfilter. Hier wurde die Anhebung des Bereichs um 40Hz schmalbandig reduziert. Der gemessene Frequenzgang ist nicht ganz so glatt, das Abklingverhalten aber etwas harmonischer. Dies zeigt Bild 17 und Bild 18.

Bild 16: korrigierter Frequenzgang. Anhebung bei 38Hz reduziert. Übernahme zum Satelliten bei 90Hz mit 12dB/Oktave.


 

Bild 17: frequenzabhängiges Abklingverhalten des korrigierten Subwoofers.

Bild 18: Sonogramm des korrigierten Subwoofers. Verzögertes Einschwingen bei 38Hz, gleichmäßiges Ausschwingen im gesamten Bereich.


4. Hörtest:

Zuletzt noch eine kurze Klangbeschreibung. Nachdem der Pegel von Subwoofer und Satelliten angepasst wurde, klingt der Bassbereich unspektakulär, sauber und wirklich abgrundtief. Wirklich wesentlich ist die Korrektur des vorlauten Oberbasses. Die klanglichen Unterschiede der zwei untersuchten Korrekturfilter sind dabei minimal. Wenn Eric Clapton auf seiner unplugged CD mit dem Fuß auf die Bühne tippt, so macht der Lautsprecher diese tiefen Töne sehr deutlich hörbar. Absolut grandios ist die verzerrungsarmut der Basswidergabe.

Für mich persönlich habe ich den Tiefbassbereich zwischen 30Hz bei 20 Hz um 3dB abgesenkt, indem ich ein etwas flacher einsetzendes Subsonicfilter verwendet habe. Dies ist aber natürlich reine Geschmacksache.

Der Maximalpegel des Subwoofers ist in der hier vorgestellten Variante auch für eine Partybeschallung ausreichend groß. Er ist aber nicht grenzenlos. Extremer Tiefgang und Brachialpegel kann ein einzelner 22cm Tieftöner einfach nicht darstellen, selbst wenn er durch zwei Passivmembranen unterstützt wird. Wer maximalen Schalldruck sucht, muss die untere Grenzfrequenz um eine halbe Oktave nach oben setzen, einen deutlich größeren Subwoofer einsetzten oder ein zweites Subwoofermodul bauen. Letzteres bietet sich ganz besonders an, wenn das Hypex Modul PSC2.400 mit seinen zwei Endstufen verwendet wird. Der Heimkinofan greift dabei zum ari acoustics Subwooferset SubPerfect-223Ultra, der Musikliebhaber, der auf die allertiefsten Frequenzen verzichten kann zum SubPerfect-223.

Der Nachteil dieser Systeme ist: Suchtgefahr!!! Wenn man erst mal eine halbe Stunde Musik mit korrigiertem Bass gehört und sich an den unspektakulären aber immer klar kontourierten Klang gewöhnt hat, kann man sich für nichts mehr anderes begeistern. Es entsteht höchstens der Wunsch nach noch mehr.- Oder Sie greifen gleich zum SubPerfect-312 oder SubPerfect-312Ultra. Mit den in TechTalk No6 gezeigten Auslegungsprinzipien, der Bassreflexkonstruktion nach TechTalk No7, der in diesem Beitrag gezeigten Raumanpassung und den im TechTalk No9 diskutierten Multi-Subwoofer Systemen landen Sie geradewegs im HighTech-Tiefbasshimmel.

Viel Spaß dabei wünscht Ihnen Ihr

Markus Beck
ari acoustics

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TechTalk No9 -

 

 

TechTalk No9 10-10.2011

Toller Bass in weiter Hörzone

Willkommen beim TechTalk - dem (un)regelmäßig erscheinenden Newsletter von ari acoustics. TechTalk erläutert technische Grundlagen und Hintergründe und stellt neue Produkte vor. TechTalk soll auch zur Diskussion anregen. Schreiben Sie uns Ihre Anregungen, Fragen und Korrekturen.

TechTalk No1:
Welche Lautstärke soll eine Hifi-Anlage im Hörraum bzw. an der Position des Hörers im Hörraum erzielen?

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Welche Lautsprecher und Verstärker benötige ich für Hifi-gerechte Lautstärke in meinem Raum?

 

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Welchen Einfluss hat das Bündelungsverhalten meines Lautsprechers und das Absorptionsverhalten des Hörraumes auf Lautstärke und Frequenzgang?

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Welche Verstärkerleistung verkraftet mein Lautsprecher - Elektrische Belastbarkeit von Lautsprechern

 

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Interview mit Allen Isaaksen, Chef von Wavecor

TechTalk No6:
Basswiedergabe in Wohnräumen und Auslegung eines Subwoofers mit dem Wavecor SW182BD01/02

 

TechTalk No7:
Aero2D - die strömungsgünstige Bassreflexöffnung

 

TechTalk No8:
Die HDSP-Line – mit High End Digitalem Signal Processing zur optimalen Basswidergabe

 

TechTalk No9:

Toller Bass in weiter Hörzone. Wenn mehr als ein Hörer glücklich werden soll.

 

1. Übersicht:

Sie können heutzutage mit einem guten Pärchen Stereolautsprecher oder einem top Subwoofer eine beeindruckende Tiefbasswidergabe erzielen. Mit steifen Membranen, großzügig dimensionierten Magneten und angetrieben durch starke Verstärker erreichen Sie dabei eine sehr tiefe untere Grenzfrequenz auch bei kleinen Gehäuseabmessungen. Basspower ist kein Geheimnis, sondern eine Frage der soliden Konstruktion und nicht zuletzt des betriebenen (auch finanziellen) Aufwands. TechTalk No6 und No7 geben Hinweise zur richtigen Auslegung.

DSP-Regelungen ermöglichen die detaillierte und individuelle Abstimmung auf die Raumakustik und die Satellitenlautsprecher. Alte „Geheimrezepte“, die zur „perfekten“ Basspräzision führen sollen und meistens weniger als mehr funktionieren, können sie getrost vergessen. Die heute zuverlässig funktionierende, kostengünstige Messtechnik und einfach zu bedienende digitale Steuerungstechnik bietet unvergleichlich bessere Möglichkeiten. So erzielen Sie auch in schwierigen Räumen einen präzisen Bass der sich bei allem Druck musikalisch in den Gesamtklang einfügt. TechTalkNo8 zeigt was möglich ist.

Was will man mehr?

Nichts! Vorausgesetzt man sitzt im berühmten Sweet Spot, dem Punkt im Raum auf den die Widergabe hin optimiert ist. Die im TechTalk No8 beschriebene Raumkorrektur funktioniert für eine Hörposition optimal.

Bassgenuss für alle! Wenn man das gemeinsame Hörerlebnis mit Freunden anstrebt oder mehrere Lieblingsplätze hat um die Musik zu genießen. Immer dann, wenn eine größere Hörzone angestrebt ist, wie etwa beim  Heimkino mit mehreren Sitzplätzen, wird ein noch weiter ausgefeiltes Bassmanagement notwendig.

In den folgenden Kapiteln wir beschrieben, wie man in einer weit ausgedehnten Hörzone zu einer bestmöglichen Basswidergabe kommt.


2. Grundproblem

Um in einer Hörzone einen guten Bass zu haben muss dort an jedem Punkt der Frequenzgang glatt, die unterer Grenzfrequenz ausreichend niedrig und das Impulsverhalten mit möglichst kurzen Nachschwingern sein.

In Wohnräumen ist dies ausgesprochen schwierig zu bewerkstelligen, denn die Basswidergabe wird dort durch die Ausbildung von Raumresonanzen, den sogenannten Raummoden, dominiert. Diese Raummoden führen zu starken Frequenzgangänderungen und beeinflussen auch das zeitliche Verhalten (TechTalkNo8) negativ. Unglücklicherweise wirken sich die Raummoden an jedem Punkt des Raumes unterschiedlich aus. Je stärker die Raummoden ausgeprägt sind, desto starker ändert sich die Basswidergabe je nach Position des Hörers im Raum.

Für eine einzelne Hörposition im Raum kann die Auswirkung der Raummoden elektronisch nahezu perfekt kompensiert werden (TechTalk No8). Für ambitionierte Stereophonie, bei der Sie als Hörer ohnehin exakt im Sweet Spot sitzen müssen um eine perfekte räumliche Darstellung zu erhalten, ist das vollkommen ausreichend. Um aber eine gleichmäßig guter Basswidergabe in einer größeren Hörzone zu erreichen, muss die Ausbildung der Raummoden so weit als möglich unterdrückt werden.

3. Unterdrückung von Raummoden

Die Raummoden sind – wie der Name schon andeutet- Eigenschaften des Raumes! Sie können nur durch eine Änderung der Raumgeometrie oder der Dämpfung im Bassbereich verändert werden. Beides sind sehr aufwändige Maßnahmen, die in einem normalen Wohnraum in aller Regel nicht umgesetzt werden können. Die Raummoden selbst können also nicht verändert werden.

Am besten ist, die Raummoden gar nicht anzuregen. Hierzu muss der Subwoofer oder die Stereolautsprecher entsprechend im Raum positioniert werden. Das Grundprinzip hierfür zeigt Bild 1.

Bild1: Schalldruckverlauf durch Ausbildung von Raummoden zwischen zwei Wänden

a)   Maximale Anregung durch einen Lautsprecher in einer Raumecke

b)   Minimale Anregung durch zwei optimal platzierte Lautsprecher

 

Für die klassische Stereophonie wurden hier zahlreiche Hilfsmittel von der einfachen Daumenregel (Lautsprecher raus aus der Ecke) bis zum PC-basierte Raumresonanzrechner (CARA, Stereoplay) entwickelt.

Raumresonanzrechner sind heute „schwer in Mode“. Es werden hohe Erwartungen in sie gesetzt - die sich fast nie erfüllen. Die Berechnungen benötigen grundsätzlich immer exakte Angaben über die Beschaffenheit der Wände, Türen und Fenster. Diese sind im konkreten Anwendungsfall nicht bekannt. Näherungsweise Angaben führen aber immer zu deutlichen Abweichungen im Ergebnis. Die Raumresonanzrechner erlauben daher keine ausreichend genaue Simulation um Optimierungsmaßnahmen exakt umzusetzten. Die Simulationsrechner sind aber ein gutes Werkzeug um die grundsätzlichen Zusammenhänge zu studieren und eigene Experimente zielgerichtet durchführen zu können. Es gilt: Probieren geht über Studieren – aber besser mit Studieren vor dem Probieren.

Eine extensive theoretische Studie, wie mehrere im Raum verteilte Subwoofer zusammen spielen wurde von Todd Welti durchgeführt (1).

Ergebnis: Durch kombinierten Einsatz von vielen, im Raum verteilten, Subwoofern wird die Anregung einzelner Raummoden unterdrückt und es ergibt sich ein überall gleichmäßiger und glatter Frequenzgang. Viele Subwoofer heißt hier 5000 Subwoofer – da bleibt kaum mehr Platz für einen Zuhörer! Wir die Anzahl auf 50 Subwoofer reduziert, so treten die Raummoden bereits deutlich in Erscheinung. In der Praxis wird man sich auf ein bis vier Subwoofer beschränken. Man muss also mit den Raummoden leben!

Ziel weiterer theoretischer Studien (2) war es, solche Aufstellpositionen zu finden, die zu einem möglichst gleichmäßigen Frequenzgang in der Hörzone führen. Möglichst gleichmäßig heißt in diesem Fall, dass sich innerhalb der Hörzone die Frequenzgänge von Sitzposition zu Sitzposition möglichst wenig unterscheiden. Alle Zuhörer also zumindest das gleiche Klangerlebnis haben. Das Ergebnis dieser Studie ist, das mindestens zwei, besser aber vier Subwoofer benötigt werden. Für den untersuchten Fall (rechteckiger Raum, Hörzone in der Mitte des Raumes) konnten auch bevorzugte Aufstellschemas gefunden werden, die zu einer deutlichen Verbesserung führen.

Bild 2: Günstige Subwooferpositionen in einem rechteckigen Raum. Sehr gut funktioniert sogar die Positionierung in den Raumecken. Diese führt zudem auf den höchsten Wirkungsgrad.


Die Studie zeigt, dass zahlreiche Raummoden unterdrückt werden können (Bild 3). Sie zeigt aber auch, dass selbst bei vier optimal aufgestellten Subwoofern der Pegel im Bassbereich um +/- 10 dB variiert!Da diese Abweichungen aber nun in der Hörzone nahezu gleich sind, können  sie mit einem einzigen gemeinsamen Korrekturfilter für die gesamte Hörzone korrigiert werden.

Bild 3: Auswirkung unterschiedlicher Subwooferpositionen auf den mittleren Frequenzgang in der Hörzone (durchgezogene Linie) und die Sitz zu Sitz Varianz (Mean Spatial Variance, MSV, je kleiner der Wert desto besser). Bereits zwei Subwoofer(b)  führen zu einer deutlichen Reduktion der MSV aber auch zu einem Wirkungsgradverlust von 6dB unterhalb 40Hz. Die zwei Subwoofer spielen also nicht lauter als ein einzelner Subwoofer.


Die Rechnungen verdeutlichen, dass

  • Es mit einem einzelnen Subwoofer unmöglich ist eine große Hörzone gleichmäßig zu beschallen
  • mindestens zwei, besser vier Subwoofer benötigt werden um die Sitz zu Sitz Unterschiede zu reduzieren
  • die Eckposition bei vier Subwoofern hinsichtlich des Wirkungsgrades vorteilhaft ist. Dabei ist die Anregung von Raummoden auch nicht wesentlich ausgeprägter als bei vier wandmittig aufgestellten Subwoofern
  • in jedem Fall eine zusätzliche Frequenzgangkorrektur benötigt wird um einen ausgeglichenen Frequenzgang zu erreichen.

Leider lässt sich die theoretische Studie nur begrenzt auf reale Räume und Hörsituationen übertragen. In der Regel ist die Raumaufteilung und Möblierung unregelmäßig, die Materialien variieren und Fenster und Türen sorgen für Störungen der Symmetrie. Zudem wird man nur in den seltensten Fällen die Subwoofer an ihrer optimalen Position aufstellen können. Meist wird der Aufstellort der Subwoofer durch den Wunsch nach einer harmonischen Integration in das Wohnambiente dominiert. Dennoch, mit verteilten Subwoofern in Kombination mit gezielter Frequenzgangkorrektur hat man eine sehr große Chance eine überdurchschnittlich gute Bassperformance zu erzielen.

 

4. Elektronisches Klangfeldmanagement

Prinzipiell kann die Optimierung noch wesentlich weiter getrieben werden. Technisch möglich ist nicht nur die Positionierung der Lautsprecher oder die Gestaltung einer gemeinsamen Frequenzgangkorrektur. Nein, jeder einzelne aktive Subwoofer kann schließlich unterschiedlich eingestellt werden. Die DSPs moderner Subwoofer erlauben, die Lautstärke, die Verzögerungszeit und den Frequenzgang individuell einzustellen um so das Zusammenspiel aller Komponenten zu optimieren. Bei vier Subwoofern ergeben sich so Millionen von unterschiedlichen Einstell- und Kombinationsmöglichkeiten. Wie aber die beste Einstellung finden? Dieser (letzte?) Schritt zur optimalen Bassperformance kann nur mit zusätzlicher Unterstützung durch ausgefeilte mathematische Optimierungsmethoden zur individuellen Einstellung der Elektronik bewältigt werden.

Leider sind diese Optimierungsroutinen nicht auf dem Markt für den Lautsprecherselbstbauer verfügbar. Die von Harman vorgeschlagene Methode des Sound Field Managements (SFM) soll dennoch kurz skizziert werden. Der von Welti et al. vorgeschlagene Lösungsansatz (3) rückt diesem komplexen Problem mit einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden zu Leibe. Zuerst wird experimentell gemessen, welches Klangfeld die einzelnen Subwoofer im Raum erzeugen. Darauf aufbauend dann theoretisch berechnet, wie sich die unterschiedlichen Einstellungen der Subwoofer auswirken.

Das Vorgehen im Einzelnen:

  • In einem ersten Schritt werden die Eigenschaften des Raumes, der Hörpositionen und der Aufstellung der Subwoofer exakt bestimmt. Hierzu wird die Übertragungsfunktion zwischen jedem Subwoofer und jeder Position in der Hörzone experimentell ermittelt. Die Übertragungsfunktionen sind dann die Grundlage für die nachfolgenden Berechnungen. Bei 4 Subwoofern und 6 Sitzpositionen erfordert dies also 4*6=24 Messungen des komplexen Frequenzgangs (Amplitude + Phase), bzw. des Impulsverhaltens.
  • Die Amplitudenvariation von Sitz zu Sitz wird berechnet und die Varianz bestimmt.
  • Nun werden in einem Rechenmodell die Einstellungen der Subwoofer verändert und die Auswirkung auf die Frequenzgänge bei den Sitzpositionen berechnet. Diese Berechnung ist sehr genau, denn das Verhalten der elektrischen Korrekturfilter kann exakt modelliert werden.
  • Mit Optimierungsmethoden wird nun nach geeigneten Kombinationen von Einstellungen gesucht, mit denen die Varianz reduziert werden kann. Die Kunst besteht natürlich darin, mit einem geeigneten Optimierungsverfahren an den richtigen Einstellparametern zu drehen um in einer akzeptablen Rechenzeit eine minimale Sitz zu Sitz Varianz und/oder einen ausgeglichenen Frequenzgang an jedem Sitz zu erreichen.
  • In einem letzten Schritt wird die für alle Lautsprecher zusätzlich anzuwendende gemeinsame Frequenzgangkorrektur berechnet, die zu einer für alle Sitze ausgeglichen Basswidergabe führt.

In einer solchen Berechnung können natürlich auch andere Ziele angestrebt oder zusätzliche Randbedingungen beachtet werden. Beispielsweise ist es wichtig, dass die Anlage nicht nur ausgeglichen spielt sondern auch genug Basspower aufbauen kann. Bei Verwendung mehrerer Subwoofer ist dies nicht selbstverständlich.

Wie leistungsfähig die Methode ist zeigt Bild 4.  Die mittlere Varianz konnte mit 4 Subwoofern drastisch reduziert werden. Das Ergebnis zeigt aber auch sehr deutliche Unterschiede in der erzielten Lautstärke. Ausgehend von (a) sollten vier Subwoofer den mittleren Schallpegel um 12dB steigern können und im Beispiel den Pegel von rund -15.9dB um +12dB auf -3,9dB anheben. Bei der Aufstellung entsprechend (b) werden tatsächlich aber nur -17dB erreicht.

Bild 4: Klangfeldmanagement im Einsatz
a)   Referenzmessung: ein Subwoofer in der Raumecke zeigt einen unausgeglichenen Frequenzgang bei großer Sitz-zu Sitz Varianz
b)   Vier raummittig aufgestellte Subwoofer zeigen minimale Varianz aber einen unregelmäßigen Frequenzgang
c)   Vier Subwoofer in der Ecke zeigen sowohl ausgeglichenen Frequenzgang als auch eine geringe Varianz. Ein herausragendes Ergebnis für diese viel geschmähte Aufstellungsart.


Die vier Subwoofer in (4b) spielen leiser als der einzelne Subwoofer in (4a)!!! Bei Betrachtung der optimierten Einstellungen wird klar warum: zwei von vier Subwoofern spielen nur mit einem Viertel ihrer Leistung
(-6dB), der Dritte gar nur mit einem sechzehntel der Leistung (-12dB). Drei Subwoofer werden also gar nicht ausgenutzt während der Vierte alle Last alleine trägt und tendenziell überlastet ist. Die nachfolgende Frequenzgangkorrektur erfordert zudem den Ausgleich von rund 20dB Pegelunterschied zwischen 46Hz und 53Hz. Dies erfordert in diesem Frequenzbereich die 100fache Leistung - eine Aufgabe die jeden Verstärker überfordert! Wesentlich günstiger ist die Aufstellung in der Eckposition nach (4c). Hier werden alle vier Subwoofer voll genutzt. Der Schallpegel liegt nahe dem theoretischen Optimum bei -7,6dB. Zudem ergibt sich im Beispiel bereits ohne nachfolgende Frequenzgangkorrektur ein nahezu ausgeglichener Frequenzgang!

Das Beispiel zeigt die enorme Leistungsfähigkeit des Systems aber auch die Risiken der Multi-Subwoofer Optimierung. Variante (b) führt trotz beträchtlichem Aufwand zu keinem zufrieden stellenden Ergebnis. Dagegen bietet Variante (4c) eine hervorragende Lösung mit gutem Wirkungsgrad und maximalen Schalldruck bei nur geringfügig höherer Sitz zu Sitz Varianz.

Wie gesagt - leider stehen für den DIY Bereich keine entsprechenden Optimierungsprogramme zur Verfügung. Dieser letzte Optimierungsschritt bleibt also den Experten von JBL und ausgewählten und geschulten Händlern vorbehalten (ARCOS Adaptive Room Correction). Hier gibt es also für die Mathematikexperten der DIY Gemeinde durchaus ein lohnenswertes Betätigungsfeld.


5.  Double Bass Array und ein Performancevergleich

Ein weiterer Ansatz um die Anregung von Moden zu unterdrücken besteht im Aufbau eines Double Bass Arrays, DBA (4). Bei einem DBA werden zwei Lautsprechergruppen benötigt. Eine entlang der Vorderwand, die den Schall erzeugt und eine andere an der Rückwand, die den produzierten Schall wieder „einsammelt“ bevor er in den Raum zurückreflektiert wird und zur Ausbildung von Raummoden führen kann. Das System ist in Wikipedia recht anschaulich erläutert, weshalb hier auf eine nähere Darstellung verzichtet wird. Meine Erfahrung beim Test eines solchen Systems ist, dass es nur in quaderförmigen Räumen bei exakter Aufstellung funktioniert. Allerdings besitzt das System einen recht geringen Wirkungsgrad, weswegen leistungsfähige Subwoofer und Verstärker benötigt werden. Bei deutlich abweichenden Räumen oder wenn keine exakte Lautsprecherpositionierung möglich ist, funktioniert das DBA nicht richtig. Weder in meinem Hörstudio mit Dachschräge noch in meinem Wohnzimmer mit großem Durchbruch zum angekoppelten Esszimmer konnte ich ein DBA mit zufriedenstellendem Ergebnis einrichten.

Die Klangqualität der unterschiedlichen Optimierungsansätze wurde von der Universität Salford wissenschaftlich untersucht (5). Verglichen wurde

a)   einzelner Subwoofer in einer Raumecke
b)   einzelner Subwoofer in einer Raumecke, Frequenzgang per parametrischem Equalizer korrigiert
c)   einzelner Subwoofer an der vorderen Wandmitte
d)   einzelner Subwoofer an der vorderen Wandmitte, Frequenzgang per parametrischem Equalizer korrigiert
e)   Welti Aufstellung nach Bild 2d, Frequenzgang nicht korrigiert
f)    Optimierte Welti. Aufstellung nach Bild 2d, der rückwärtige Lautsprecher wurde verpolt und mit Zeitversatz eines DBAs angesteuert
g)   DBA (in der Untersuchung CABS Verfahren benannt) mit 4 ideal platzierten Lautsprechern
h)   OPOC, Opposite Phase Opposite Corner Verfahren, bei dem ein Lautsprecher in der Raumecke platziert wird, während sich der  zweite Lautsprecher in der gegenüberligenden Raumecke befindet und verpolt angeschlossen wird.

Bild 5: subjektiv bewertete Klangqualität (gut = hoher z Score) unterschiedlicher Bassysteme


Wie die Untersuchungen eindeutig zeigen, ist die Positionierung eines Subwoofers in der Raumecke extrem schlecht und fällt weit hinter alle anderen Aufstellungen zurück. Erstaunlich ist aber, wie stark diese Aufstellung von einem korrekten Equalizing profitiert. Ein per DSP korrigierter Subwoofer und übertifft in der Klangqualität alle Aufstellungsvarianten, die ohne elektronische Eingriffe auskommen müssen! Einen nochmaligen deutlichen Qualitätsschritt bietet die Kombination der elektronischen Korrektur in Kombination mit dem Einsatz mehrerer Lautsprecher (Welti optimized, CABS).

Kosten und Wirkungsgrad der Systeme wurden nicht in die Betrachtung mit einbezogen. Nicht verschwiegen darf aber, dass der Wirkungsgrad des „optimierten Welti“ Systems gering ist. Wie Bild 5a zeigt, werden im zentralen Bassbereich zwischen 40 Hz und 60 Hz rund 10dB weniger Schalldruck erzeugt als bei der standard Welti Konfiguration mit zwei Lautsprechern. Die mit vier Lautsprechern und zwei Endstufen doppelt so aufwändige CABS-Lösung bietet im Bereich zwischen 50Hz und 80Hz einen 5dB bis 10dB geringeren Schalldruck, Bild 5b. Das sind nicht zu vernachlässigende Größenordnungen, bedeuten doch 10dB weniger Schalldruck rund die 10-fache Verstärkerleistung die zur Kompensation benötigt wird. Ein per DSP korrigierter Subwoofer bietet den optimalen Wirkungsgrad und kann daher kleiner dimensioniert werden. Trotzdem erreicht er eine sehr beachtliche Klangqualität – selbst wenn er in einer Raumecke versteckt wird.

 

Bild 5: Frequenzgang, der bei der subjektiven Bewertung verwendeten Basssysteme. oben: A) Welti, b) Welti optimized, unten: CABS bzw. DBA


Leider wurde bei den Hörtests auch darauf verzichtet, jeweils die Varianten mit elektronisch korrigiertem  Frequenzgang zu vergleichen. Besonders die von Welti selbst empfohlene Kombination seiner Aufstellung nach Bild 2d mit einer elektronischen Frequenzgangkorrektur wäre spannend gewesen. So konnte die klangliche Bedeutung der deutlich unterschiedlichen Frequenzgänge der Basssysteme nicht herausgearbeitet werden. Dass diese eine starke Bedeutung haben, zeigen zahlreiche andere Untersuchungen, insbesondere die von S. Olive durchgeführten Vergleiche zu unterschiedlichen Raumkorrekturverfahren (Siehe TechTalk No3, Bild TT03.06). Es bleiben also noch einige Fragen offen.


6. Fazit

Die Optimierung der Basswiedergabe in geschlossenen Räumen geht sehr weit über die Auswahl eines tollen Subwoofers oder Basslautsprechers hinaus. Wie die Erfahrung zeigt, sind gerade große und leistungsfähige Subwoofer klanglich durchaus schwierig. Je stärker die Tiefbasswiedergabe ist, desto mehr leichter geht aller Wohlklang im Modensumpf des Raumes unter. Die Frage, ob der Subwoofer ein Bassreflex-, Transmissionline- oder geschlossenes Gehäuse hat, ist dabei  nur begrenzt von Bedeutung. Selbstverständlich – ohne einen guten Tieftöner bzw. Subwoofer und ein entsprechend passendes und perfekt gebautes Gehäuse geht es nicht - für eine perfekte Basswidergabe braucht es aber viel mehr als nur ein tolles Basschassis und einen leistungsfähigen Verstärker.

Wie die dargestellten Zusammenhänge zeigen, ist die Aufstellung der Subwoofer ein effizienter Stellhebel zur Optimierung. Das ist keine wirklich neue Erkenntnis – interessant ist aber, dass mit mehreren Subwoofern wesentlich bessere Ergebnisse erzielt werden können als mit einem einzelnen Prachtexemplar. Überraschend (zumindest für mich) ist das gute Abschneiden von 4 Subwoofern, die in die sonst so verschmähten Raumecken gestellt werden. Mit vier kleinen Subwoofern können Sie so eine Basswidergabe erreichen, die in einer weiten Hörzone überzeugt.

Die Ergebnisse zeigen zudem, dass Sie einen richtig knackigen Bass erst dann bekommen, wenn das ganze Equipment elektronisch an den Raum angepasst ist. Die elektronische Nachhilfe ist vor allem dann hilfreich, wenn Ihr Hörraum von der idealen Rechteckform abweicht und/oder unsymmetrisch möbliert ist oder Sie die Lautsprecher nicht an den Idealpositionen unterbringen können.

Mein Rat an Sie: Wenn Sie in einen leistungsfähigen Subwoofer oder in ein Subwoofersystem investieren, dann investieren sie auch in ein Messmikrophon. Das muss nicht mal ein besonders teures sein. Preiswerte Mikrophone wie das Behringer ECM8000 sind zwar keine absolut genauen Messmittel, haben aber im Bassbereich einen ausreichend glatten Frequenzgang um schmalbandige Raumresonanzen zuverlässig und mit guter Genauigkeit aufzuspüren. Mit diesen Hilfsmitteln sind Sie richtig gerüstet für die Jagd nach der optimalen Aufstellposition und der perfekten Elektronikeinstellung.

Natürlich sind die Ari-Acoustics SubPerfect oder –HDSP Systeme die optimalen Lautsprecher für die Realisierung solch ausgefuchster Systeme. Die -HDSP Systeme haben die DSP-Steuerung eines beliebigen externen aktiven Subwoofers gleich mit eingebaut. Bei den SubPerfect Subwoofern ermöglicht Ihnen das Verstärkermodul Hypex PSC2.400 mit seiner per DSP ideal einstellbaren Power von 2 mal 400 Watt alle Eingriffsmöglichkeiten bei Frequenzgang und Laufzeitkorrekturen. Vom SubPerfect-182 mit vier superkompakten Woofern bis zum wahrlich tiefbassgewaltigen SubPerfect-312Ultra - mit den SubPerfect Systemen können Sie alle Aufstellungsvarianten von Welti bis zum DBA umsetzten. Glauben Sie mir - das ist die interessanteste und erfolgreichste Art eine "perfekte" Bassperformance zu realisieren. Ein toller Bass in einer weiten Hörzone, mit einer Qualität die ihresgleichen lange sucht!

Viel Erfolg und viel Spaß
wünscht Ihnen Ihr
Dr. Markus Beck

Ari Acoustics

 

7. Literatur

1) Todd Welti: How Many Subwoofers are Enough, AES Convention Paper 5602, 112th Convention, 2002 May 10–13 Munich, Germany

2) TODD WELTI, ALLAN DEVANTIER: Low-Frequency Optimization Using Multiple Subwoofers, J. Audio Eng. Soc., Vol. 54, No. 5, 2006 May

 3) Todd S. Welti1 and Allan Devantier: In-Room Low Frequency Optimization, AES 115TH CONVENTION, NEW YORK, NEW YORK, 2003 OCTOBER 10-13

4) SOFUS BIRKEDAL NIELSEN, ADRIAN CELESTINOS: TIME BASED ROOM CORRECTION SYSTEM FOR LOW FREQUENCIES USING MULTIPLE LOUDSPEAKERS, AES 32nd International Conference, Hillerød, Denmark, 2007 September 21-23

5) B.M.Fazenda, L.A.Elmer, M.Wankling, J.A.Hargreaves, J.M.Hirst: Subjective Preference of Modal Control in Listening Rooms, AES 129th Convention, San Francisco, CA, USA, 2010 November 4–7