Wir brauchen Bass: Zusammenarbeit von Subwoofern und Tops

Bei einer Beschallungsanlage soll der gesamte Übertragungsbereichs in großer Lautstärke wiedergegeben werden. Für die tiefen Frequenzen kommt dabei ein Subwoofer zum Einsatz (bis ca. 100Hz). Das Topteil ist für die Wiedergabe aller Frequenzen oberhalb von 100Hz verantwortlich. Der Übergang zwischen beiden Systemen findet fließend statt, so dass im Übergang beide Boxen an der Wiedergabe beteiligt sind.

In diesem Übergangsbereich ist daher von entscheidender Bedeutung, dass die Lautsprecher in Subs und Tops möglichst optimal zusammenarbeiten. Dies hängt davon ab, ob sich die Membranen in beiden Boxen parallel in gleicher Richtung bewegen, ob sie dies zeitlich versetzt tun oder ob sie sogar gegeneinander arbeiten. Nur bei „guter Zusammenarbeit“ ergibt sich satter Sound in diesem wichtigen Bereich!

Die Abweichung des „Gleichlaufs“ entscheidet darüber, wie effektiv diese Zusammenarbeit funktioniert. Der Phasenverlauf einer Schwingung entspricht dabei 360° (Kreisbahn). Der Phasenunterschied zwischen Top und Sub entscheidet über das Ergebnis:

  • 0°            +6dB (Optimal: Schalldruck-Verdoppelung)
  • +/- 60°   +5dB (der Unterschied von 1dB ist kaum wahrnehmbar)
  • +/- 90°   +3dB
  • +/- 120°   0dB (nur so laut wie Sub ODER Top – kein Gewinn)
  • +/- 150° -6dB (halber Schalldruck wie ein Lautsprecher für sich)
  • 180°          Worst Case: Völlige Auslöschung!

Hinweis: Erst eine Schalldruck-Erhöhung von 10dB empfinden wir als doppelt so laut. Bei einem einzelnen Lautsprecher wäre dafür schon die 10-fache Leistung notwendig!

Merlijn van Veen veranschaulicht die Auswirkungen von Phasenunterschieden im folgenden Video:

Bei vom Hersteller als Paket angebotenen Systemen aus Tops und Subs sind beide so aufeinander abgestimmt, dass sie möglichst optimal zusammenarbeiten. Arbeiten Systeme verschiedener Hersteller zusammen, so muss der Phasenverlauf beider Systeme gemessen und aufeinander abgestimmt werden. Wir nutzen dazu ein Mess-System mit der Software „RDNet Measure“ der Firma RCF. Mehr dazu HIER.

Wenn man den Phasenunterschied bezogen auf eine Frequenz angleichen will, kann man dazu ein Delay im DSP der Beschallungsanlage nutzen. Die notwendige Delayzeit in ms berechnet sich nach folgender Formel: 

(Phasenwinkel/360) x (1000/Frequenz)

Beispiel Phasenunterschied 240° bei 100Hz:
(240/360) x (1000/100) = 2/3 x 10 = 6,6ms

Entscheidend ist jedoch, ob Sub oder Top verzögert werden müssen. Das richtet sich nach der Steigung des Phasenverlaufs-Diagramms. Das Delay wird auf den Lautsprecher (Top/Sub) mit dem flacheren Phasenverlauf angewendet (meist das Top).

Nun stimmt zwar die Phase bei 100Hz, möglicherweise ist der Phasenverlauf jedoch weiterhin unterschiedlich steil (mehr zur Auswirkung von Delay auf den Phasenverlauf HIER). In diesem Fall könnte eine Änderung der Polarität beim Sub (gegenphasig) und eine Subtraktion einer halben Periodendauer bei 100Hz beim Delay für das Top den Phasenverlauf angleichen: 6,6ms – 5ms = 1,6ms

Manchmal klappt das nur auf Umwegen. Zweites Beispiel:

Phasenunterschied 120° bei 100Hz:
(120/360) x (1000/100) = 2/3 x 10 = 3,3ms

Wird damit keine Übereinstimmung des Phasengangs erreicht, müsste auch hier eine halbe Periodendauer abgezogen werden. Das ergibt jedoch: 3,3ms – 5ms = -1,7ms (negativer Wert). Da es kein „negatives Delay“ gibt, erhält der Sub ein Delay von 1,7ms und das Top erhält KEIN Delay mehr. Zusöätzlich wird die Polarität des Subs gedreht (gegenphasig – siehe oben).

Nathan Lively zeigt die Anwendung der Technik in einem Video:

In der Praxis geht es im Endeffekt darum, die richtige Anzahl von n Zyklen oder (n+0,5) Zyklen (in Kombination mit einer Polaritätsumkehrung) zu finden, die zu einer Übereinstimmung der Steilheit der Kurven führt.

Quelle: Subwoofer Alignment – The foolproof relative/absolute method (Merlijn van Veen)

Eine andere Methode ist die Nutzung von „Allpass-Filtern“, die den Phasengang OHNE Delay verändern können. Diese Methode steht uns nur bei der mobilen Anlage zur Verfügung, da nur deren DSP über Allpass-Filter verfügt. Matthias Huber zeigt den Unterschied im Video: