So verteilen Sie Audiosignale mit Frequenzweichen auf mehrere Lautsprecher

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So verteilen Sie Audiosignale mit Frequenzweichen auf mehrere Lautsprecher

Töne sind Schwingungen. Fast jeder Ton, den wir hören, wird durch eine Schallwelle in der Luft repräsentiert. Wir können auch unter Wasser hören, denn auch das Wasser stellt ein geeignetes Medium zur Schallübertragung dar. Üblicherweise sind unsere Ohren jedoch von Luft umgeben. Dabei werden feinste Druckunterschiede wahrgenommen, die in Form von Wellen unser Trommelfell erreichen. Wie klein diese Druckunterschiede im Vergleich zum statischen Luftdruck sind, macht folgender Vergleich deutlich: Der mittlere Luftdruck der Atmosphäre beträgt 101325 Pascal, die ständig und konstant auf unseren Körper einwirken. Der maximale Schalldruck unterhalb der Schmerzschwelle beträgt ca. 130 dB (Dezibel), was umgerechnet gerade einmal 63 Pascal sind. Allein daran ist zu erkennen, wie hoch spezialisiert und sensibel unsere Ohren auf Geräusche reagieren.

Die Physik hinter der Musik

Das menschliche Ohr hört Frequenzen in einem Bereich von ca. 20 Hz (Schwingungen pro Sekunde) bis ca. 16000 Hz. Jedes hörbare Geräusch spielt sich in diesem Bereich ab. Es gibt individuelle Unterschiede, und tendenziell lässt das Gehör im Alter, besonders in den höheren Frequenzbereichen, nach. Die Schallgeschwindigkeit in der Luft beträgt ca. 343 Meter pro Sekunde, umgerechnet sind das ca. 1235 km/h. Jeder Ton, ob hoch oder tief, bewegt sich mit dieser Geschwindigkeit durch die Luft. Ein Flugzeug, das die Schallmauer durchbricht, fliegt mit eben dieser Geschwindigkeit. Die Länge der Schallwellen wiederum ist abhängig von der Tonhöhe.

Der berühmte Kammerton A hat eine Wellenlänge von ca. 78 cm. Höhere Töne haben kürzere Wellenlängen als tiefe. Bei den höchsten Tönen, die wir hören können, beträgt die Wellenlänge nur wenige Zentimeter. Aus diesen Unterschieden ergibt sich ein signifikant unterschiedliches Ausbreitungsverhalten von hohen und tiefen Tönen. Bassfrequenzen breiten sich weiträumig aus und können Hindernisse quasi „umschwimmen". Hohe Töne dagegen können relativ leicht reflektiert oder auch abgeschirmt werden. So kann es passieren, dass wir, hinter einem dicken Vorhang oder einem Hindernis stehend, uns im „Schatten" der Schallquelle befinden und die hochfrequenten Anteile der Musik nicht mehr wahrnehmen können.

Frequenzen werden in Beschallungsanlagen unterschiedlich gehandhabt 

Um dem Hörer einen möglichst guten, linearen Höreindruck zu bieten, müssen also bei einer Beschallungsanlage verschiedene Frequenzen sehr unterschiedlich gehandhabt werden. Hohe Töne können durch relativ kleine Lautsprecher erzeugt werden. Um einen Basston in gleicher Lautstärke zu erzeugen, kommt man dagegen nicht um große Abstrahlflächen (Membran des Lautsprechers) und große Massen (Gewicht der Lautsprecherbox) herum. Es liegt auf der Hand, dass dafür wesentlich mehr Verstärkerleistung gebraucht wird, als für hohe Frequenzen. Soundanlagen für zu Hause oder auch für öffentliche Veranstaltungen nutzen daher spezielle Lautsprechersysteme für die einzelnen Frequenzbereiche. Üblicherweise wird das Gesamtsignal dabei in zwei Wege (Tieftöner, Hochtöner) oder in drei Bereiche (Tieftöner, Mitteltöner, Hochtöner) aufgeteilt. Nun erreicht jeder Frequenzanteil dasjenige System, mit dem er besonders effizient abgestrahlt werden kann. Für diese Aufteilung wird ein spezielles Gerät verwendet: die Frequenzweiche.

Passive Frequenzweichen

Vermutlich haben die Boxen Ihrer Hi-Fi-Anlage einen Tieftöner und einen Hochtöner eingebaut. Eventuell gibt es zusätzlich einen separaten Subwoofer für die ganz tiefen Töne. Für Heimanlagen werden meist passive Frequenzweichen verwendet, die fest in die Lautsprecherboxen eingebaut sind. Sie sind für genau dieses System optimiert und müssen in ihren Einstellungen nicht verändert werden. Die Frequenzweiche befindet sich zwischen Verstärker und Boxen. Sie benötigen also nur einen einzigen Stereoverstärker, der jeweils ein Signal für die linke und die rechte Seite ausgibt. Je nach Anordnung, führen Sie nun die Kabel entweder zum Subwoofer oder direkt zu den Boxen der linken und rechten Seite.

  1. Zwei–Wege–System: Die Lautsprecherkabel führen direkt zu den Boxen, in denen sich jeweils eine Frequenzweiche befindet, die das Signal für den Tieftöner und den Hochtöner aufsplittet.
  2. Drei–Wege–System: Die Kabel führen zunächst zum Subwoofer, der eine zentrale Frequenzweiche enthält. Hier werden die Bassanteile des Signals herausgefiltert. Der Subwoofer strahlt diese Bassanteile ab, wobei er die Summe des linken und des rechten Kanals vereint. Deshalb sollte der Subwoofer etwa in der Mitte zwischen linker und rechter Stereobox stehen. Vom Subwoofer aus werden nun weitere Kabel zu den sogenannten Satelliten (den Lautsprechern der linken und rechten Seite) geführt, die die Frequenzanteile der mittleren und oberen Bereiche übertragen.

Für kleinere Beschallungsanlagen im öffentlichen Bereich wird dieses Prinzip ebenso verwendet. Es hat den Vorteil, dass nur eine Stereoendstufe bzw. jeweils eine Endstufe für den linken und rechten Kanal gebraucht wird. Die Frequenzweiche ist dabei meist fest eingestellt, und ihre Parameter müssen (und können) nicht verändert werden. Die drei Frequenzbereiche haben dabei etwa folgende Werte:

  • Bass: 20 Hz bis 120 Hz
  • Mitten: 120 Hz bis 3000 Hz
  • Höhen: 3000 Hz bis 16000 Hz.

Mit dieser Konfiguration können kleine bis mittlere Säle sowie kleine Open-Air-Veranstaltungen in ausreichender Qualität beschallt werden. Passive Frequenzweichen verringern den Wirkungsgrad des Verstärkers, weil sie ungewünschte Frequenzanteile in Wärme umwandeln. Bei Raumgrößen bis ca. 300 Personen können diese Verluste hingenommen werden, weil sich die gesamte Verstärkerleistung in der Größenordnung von etwa 1 KW bewegt. Entsprechend sind der Leistungsverlust und die Wärmeentwicklung überschaubar. Relevant werden diese Faktoren bei größeren Verstärkerleistungen und speziell bei Live–Veranstaltungen.

Aktive Frequenzweichen

Im Profibereich werden meist aktive Frequenzweichen benutzt. Sie befinden sich im Signalweg vor dem Leistungsverstärker. Sie sind meist in 19–Zoll-Module eingebaut, die sich wiederum in einem Rack befinden. Vielfältige Einstellmöglichkeiten erlauben es, die Highcut- und Lowcutfrequenzen optimal an die Gegebenheiten des Lautsprechersystems anzupassen. Hierbei spielen auch individuelle Eigenheiten des Raumes sowie Temperatur und Luftfeuchtigkeit eine Rolle. Für jeden der drei Frequenzwege werden spezielle Abstrahlsysteme benutzt: Für Höhen sind das meist piezokeramische Hochtöner, für Mitten spezielle Hornsysteme und für Bässe Subwoofer mit 21-Zoll-Lautsprechern. Jedes dieser Systeme strahlt einen Frequenzbereich besonders effizient ab.

Damit das Gesamtsystem von dieser Energieeffizienz profitieren kann, greifen aktive Frequenzweichen bereits das unverstärkte Signal ab, das aus dem Summenausgang des Soundmixers kommt. Dieses Signal trägt noch kaum Leistung, sondern hauptsächlich die Information des Audiosignals. Infolgedessen ist bei der Arbeit der Frequenzweiche keine große Wärmeentwicklung zu erwarten. Somit muss die Weiche nicht mit Verstärkerleistung umgehen, sondern kann ihre eigentliche Aufgabe, den Einsatz von Hochpass- bzw. Tiefpassfiltern zu regeln, besser erfüllen.

Die drei herausgefilterten Frequenzbereiche werden nun an jeweils eine Endstufe gesendet, die wiederum nur für ein Lautsprechersystem zuständig ist. So wird es vermieden, Verstärkerleistung bereitzustellen, die sich außerhalb des Arbeitsbereiches der jeweiligen Lautsprecher befindet. Diese Leistung könnte nicht in hörbaren Schall umgesetzt werden. Sie würde lediglich eine überflüssige mechanische oder elektrische Belastung des Lautsprechers darstellen, die im Extremfall zu seiner Zerstörung führen könnte. Aktive Frequenzweichen sparen somit Leistung und schützen die Lautsprechersysteme vor Überlastung. Ihr Einsatz lohnt sich besonders im Leistungsbereich von mehr als 1 KW. Er erfordert allerdings separate Endstufen für jeden Frequenzweg.

Digitale Frequenzweichen

Eine konsequente Fortführung und Umsetzung all dieser Überlegungen stellt die digitale Frequenzweiche dar. Sie ist in jedem Falle aktiv. Sie erhält das Audiosignal in digitaler Form und ihre Arbeit beschränkt sich auf reine Rechenleistung. Voraussetzung für die Bereitstellung eines digitalen Signals ist ein digitaler Soundmixer bzw. ein zwischengeschalteter Analog-digital-Wandler. Digitale Frequenzweichen besitzen eine Schnittstelle zu einem Computer. So kann der Toningenieur an einer grafischen Benutzeroberfläche am Laptop alle Einstellungen vornehmen und diese auch als Presets abspeichern. Verschiedene Szenarien müssen so nur einmal konfiguriert werden und können bei Bedarf abgerufen werden. Die Flankensteilheit der einzelnen Filter kann flexibel geregelt werden. Unerwünschte Effekte, die durch verschiedenartiges Verhalten der einzelnen Frequenzwege auftreten, können so bereits vor der Leistungsverstärkung abgefangen und ausgeglichen werden. Der direkte Output der Weiche ist wiederum ein digitales Signal. Es kann direkt an eine digitale Endstufe weitergeleitet oder mit einem Wandler für eine analoge Endstufe aufbereitet werden.

Beim professionellen Einsatz von Frequenzweichen zu beachten 

Flankensteilheit ist gewissermaßen die Schärfe, mit der die Frequenzbereiche voneinander getrennt werden. Sie wird üblicherweise in Dezibel pro Oktave gemessen. Diese Zahl ist negativ, da sie die Absenkung des Signals zu einer bestimmten Frequenz hin (Lowcut oder Highcut) markiert. Bei Frequenzweichen niederer Ordnung überlappen sich die Frequenzen in weiten Bereichen, die Flanken der Filter sind flach. Probleme, wie Phasenverschiebung zwischen ihnen, treten nur in geringem Maße auf. Allerdings setzt der Grundgedanke von Frequenzweichen auf eine möglichst gründliche Trennung und somit eine größere Flankensteilheit. Phasenverschiebungen an den Boxen sowie Latenzen (Verzögerungen) können ausgemessen und durch die Einstellungen der digitalen Weiche behoben werden. Dabei sollte die resultierende Gesamtverzögerung bei Live–Veranstaltungen möglichst nicht mehr als 1/10 Sekunde betragen. Bei Disco–Veranstaltungen, in denen ausschließlich Tonaufnahmen wiedergegeben werden, ist dieser Wert unkritisch und kann höher ausfallen.

Insgesamt gilt hier wie für jede Technik: Je anspruchsvoller sie ist und je mehr Optionen und Einstellmöglichkeiten zur Verfügung stehen, umso mehr Fehlerquellen birgt sie in sich. Das Ziel ist keineswegs das Herumspielen an möglichst vielen Knöpfen, sondern letztlich ein druckvoller, warmer und gleichzeitig klarer, transparenter Sound. Das Hörerlebnis des Publikums sollte möglichst an allen Stellen im Raum das gleiche sein. Dieses Ziel kann nie vollständig erreicht werden, aber man kann ihm sehr nahe kommen. Bedenken Sie, dass Zuhörer sich schnell einmal über schlechten Sound beschweren, aber kaum jemals ein besonders gutes Klangerlebnis loben werden. Als Tontechniker sollten Sie ein ausgeprägtes Servicebewusstsein haben. Das bedeutet einerseits ein umfangreiches Wissen und andererseits die Fähigkeit, im Verborgenen zu arbeiten und selten Beifall dafür zu erhalten. Es bleibt aber der Fakt, dass jeder Ton, der auf einer Bühne erzeugt wird, nur durch Ihre Arbeit ans Ohr der Zuhörer dringt.

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