Der HEDD Lineariser® oder
„Eine kurze Geschichte der Zeit“
Subwoofer sind seit Jahrzehnten im Einsatz. Ihre Integration in die Wiedergabekette ermöglicht es, Grundfrequenzen dort zu ergänzen, wo kleine Lautsprecher an ihre Grenzen stoßen. Der Einsatz separater Basseinheiten führt jedoch oft zu zwei typischen unerwünschten Nebeneffekten: Der Tieftöner wirkt abgetrennt oder nicht optimal in das Gesamtklangbild integriert, und die tiefen Frequenzen selbst klingen tendenziell etwas dröhnend oder verwischt. Bevor wir mit dem Bau von Subwoofern begannen, haben wir die Ursachen dieser weit verbreiteten Probleme genauer untersucht. Die Antwort lautet: Zeit.
Schon bei einzelnen Lautsprechern lässt sich beobachten, dass tiefe Frequenzen mehr Zeit benötigen, um den Lautsprecher zu durchlaufen als hohe. Bei Satelliten-Subwoofer-Systemen kommt es zusätzlich zu den Laufzeitverschiebungen an den Übergangsstellen und den beteiligten Hoch- und Tiefpassfiltern. Insgesamt kommt es durch die Lautsprecher zu einer gewissen zeitlichen Verwirrung in der Wiedergabekette.
Bei der Beschäftigung mit Schall ist eine grundlegende physikalische Bemerkung zu beachten: Schallwellen sind vollständig durch Zeit und Frequenz charakterisiert. Zwischen diesen beiden besteht eine grundlegende physikalische Beziehung, die sogenannte Harmonische Analyse. Sie besagt, dass jede Änderung des Frequenzgangs eines Lautsprechers zwangsläufig eine entsprechende Änderung des Phasengangs bewirkt.
Aber was ist eine „Phasenantwort“?
Eine Phase beschreibt den zeitlichen Abstand zwischen zwei Ereignissen, mehr nicht. Beginnt beispielsweise ein Ton genau um 12 Uhr und ein weiterer um 12:01 Uhr, beträgt die Phasenverzögerung 1 Minute. Als Folge der Harmonischenanalyse treten in Lautsprechern aufgrund der Nichtlinearitäten im Frequenzgang zwangsläufig Phasenverzögerungen auf. Diese Verzögerungen liegen zwischen <1 ms (Millisekunde) und ca. 50 ms, abhängig von der übertragenen Bandbreite und einigen internen DSP-Einstellungen.
Innerhalb eines Subwoofers sollten natürlich alle Frequenzen zwischen 20 Hz und typischerweise 80 Hz zum gleichen Zeitpunkt wiedergegeben werden, aber wie erwähnt werden aufgrund interner Filter und Treibereigenschaften bei unterschiedlichen Frequenzen Verzögerungen unterschiedlicher Dauer hinzugefügt.
Niedrigere Frequenzen durchlaufen Lautsprecher länger als höhere
Mit anderen Worten: Der Phasengang eines Subwoofers sinkt von höheren Laufzeiten – beispielsweise 50 ms bei ~20 Hz – auf 10 ms bei ~80 Hz, der mittlerweile üblichen Übergangsfrequenz zwischen Subwoofern und Satelliten. Frequenzabhängig variieren diese unterschiedlichen Verzögerungen für jeden Subwoofer charakteristisch und werden in einer Kurve dargestellt, die als Phasengang bezeichnet wird. In analogen Zeiten ließen sich diese Phasenfehler nicht vermeiden.
Mit den heutigen leistungsstarken DSPs lassen sich FIR-Filter (Finite Impulse Response) einsetzen, die diese Abweichungen korrigieren können. Dies geschieht jedoch nur auf Kosten einer Gesamtverzögerung des durchlaufenden Signals. Dazu müssen die Filter die Fehler im Zeit- und Frequenzbereich des Lautsprechers kennen . Genauer gesagt benötigen sie die gemessene Impulsantwort (IR) des betreffenden Subwoofers.
Die IR-Signale von BASS 08 und BASS 12 wurden im großen reflexionsarmen Raum der Technischen Universität Berlin gemessen und in die DSP-Karten implementiert, um diese Informationen zu liefern. Sie enthalten sämtliche Frequenz- und Phasennichtlinearitäten, die nun in Echtzeit korrigiert werden können. Der HEDD Lineariser®, ein adaptierter FIR-Filter (Finite Impulse Response), ist das mathematische Werkzeug der Wahl, um die ursprünglichen zeitlichen Beziehungen des eingehenden Musiksignals wiederherzustellen. Das hörbar verbesserte Einschwingverhalten und eine präzisere Stereolokalisierung sind klare Vorteile.
Dadurch ist der Phasengang in den Subwoofern linear. Wie bereits erwähnt, muss dies jedoch mit einer Gesamtverzögerung von ca. 50 ms für einen Frequenzgang bis hinunter zu 20 Hz (- 3 dB) „erkauft“ werden. Der DSP muss diese 50 ms warten, bevor der Ton an den Leistungsverstärker weitergeleitet und aus der Box ausgegeben werden kann. Infolgedessen werden alle Frequenzen zwischen 20 und 80 Hz um 50 ms verzögert; man spricht von einer Gruppenverzögerung von 50 ms. Das bedeutet, dass der Subwoofer die tiefen Frequenzen 50 ms später als die Satelliten wiedergibt. Die HEDD MK2-Lautsprecher verfügen ebenfalls über einen Linearizer®. In ihrem Fall beträgt ihre Gruppenverzögerung nur 10 ms, da ihr Frequenzgang auf >80 Hz eingestellt ist.
Eliminieren Sie inhomogenen und dröhnenden Klang in Satelliten-Sub-Systemen
Um die Timing-Probleme vollständig zu lösen, haben wir zwei weitere DSP-Kanäle implementiert, die den analogen XLR-Buchsen „Outputs to Satellites“ an den Rückplatten der Subwoofer BASS 08 und BASS 12 eine Gruppenverzögerung von 40 ms hinzufügen.
Das bedeutet, dass die Satelliten nun 40 ms warten, bis der Subwoofer seine Tieftonsignale ausgibt. Dann – wenn der Satelliten-Linearisierer eingeschaltet ist – addieren sie ihre eigene Gruppenverzögerung von 10 ms – und schon sind wir da: 50 ms später beginnen alle drei Lautsprecher im selben Millisekundentakt mit der Wiedergabe, und zwar für jede einzelne Frequenz im gesamten Audioband.
Noch etwas: In der Praxis ist es oft schwierig, Satelliten und Subwoofer im gleichen Hörabstand aufzustellen. Da die oben genannten Überlegungen nur bei gleichen Abständen funktionieren, haben wir an der Rückseite der Subwoofer einen Distanzregler namens „SAT. OFFSET [m]“ angebracht. Dieser ermöglicht es, den möglichen Laufzeitunterschied zwischen Satelliten und Subwoofern gegebenenfalls auszugleichen, was einen zusätzlichen Phasenfehler bedeuten würde. Eine Anpassung an einen Laufzeitunterschied von ± 2 m zwischen Satelliten und Subwoofern in einer 0,5-m-Auflösung sollte das Problem in den meisten Fällen beheben.
Alle Komponenten der Linear Phase Satellite-Sub-Systeme von HEDD starten die Tonwiedergabe zum gleichen Zeitpunkt und tun dies mit den zeitlich korrekten Beziehungen innerhalb des hörbaren Bandes, die im eingehenden Musiksignal zu finden sind.
Mit der Kombination aus HEDDs Linear Phase Satelliten, BASS Linear Phase Subwoofern und einer entsprechenden Kompensation der längeren Gruppenlaufzeit der Subwoofer haben wir die Standardprobleme, die der Einsatz von Subwoofern von Anfang an mit sich brachte – bis heute – tatsächlich aus dem Weg geräumt.
Wir glauben, die Hauptursachen für inhomogenen und dröhnenden Klang in Satelliten-Sub-Systemen gefunden und beseitigt zu haben. Wir von HEDD freuen uns über ein unverbindliches Probehören. Hören macht den Unterschied.
