Der Kammfiltereffekt – und wie er sich vermeiden lässt


Ist es dir bei einer Live-Veranstaltung, z.B. bei einem Konzert, auch schon einmal passiert, dass der Sound plötzlich dünn und kraftlos wirkte, die Dynamik fehlte oder störende Phasenveränderungen auftraten, wenn du dich im Raum bewegt hast? Wenn die PA dabei aus mehreren gestapelten oder nebeneinander aufgestellten Lautsprechern bestand, bzw. der Schall deutlich von nahen Wänden oder anderen großen senkrechten Flächen reflektiert wurde, hast du wahrscheinlich einen Kammfiltereffekt gehört.

Zum besseren Verständnis dieses Phänomens rufen wir uns zunächst in Erinnerung, was es mit Phasenauslöschung auf sich hat. Trifft eine Wellenform auf eine zweite, vollkommen identische Wellenform mit umgekehrter Phasenlage (180 Grad verschoben), führt dies zu einer kompletten Auslöschung beider Wellen. Dies wird als Phasenauslöschung bezeichnet.

Der Kammfiltereffekt tritt hingegen auf, wenn ein Audiosignal von einem leicht verzögerten, identischen Signal überlagert wird und die Pegel der beiden Signale nicht mehr als 10 dB auseinander liegen. In diesem Fall werden bestimmte Frequenzen verstärkt bzw. abgesenkt. Die daraus resultierende Kammfilter-Frequenzkurve weist eine Reihe gleichmäßig verteilter Einkerbungen auf, deren Erscheinungsbild an einen Kamm erinnert.

Abbildung 1 – Kammfilter-Frequenzkurve.

Die Signalüberlagerung mit den resultierenden Auslöschungen und Anhebungen im Frequenzspektrum wird als metallischer Klang wahrgenommen. Stimmen klingen dadurch hart und schneidend, da ihnen wesentliche Frequenzanteile fehlen.

Kammfilter machen sich besonders störend bemerkbar, wenn sie sich im zeitlichen Verlauf verändern, etwa wenn sich die Schallquelle (z.B. ein Musiker/Instrument) oder das Mikrofon während der Darbietung oder des Aufnahmevorgangs bewegt. Durch die Bewegung ändern sich die Erstreflexionen, sodass der Kammfilter im Frequenzspektrum hin- und herwandert. Eine solche zeitlich veränderliche Absenkung und Verstärkung verschiedener Frequenzen wird allgemein als „Phasing“ bezeichnet.

Das kritische Zeitfenster für einen Kammfilter

Form und Ausprägung des Kammfiltereffekts sind abhängig vom Zeitabstand zwischen dem ursprünglichen und dem verzögerten Schall. Wenn zum Beispiel der direkte Schall durch eine Fläche reflektiert wird und die stärkste Reflexion dabei um höchstens 2 ms gegenüber dem Direktschall verschoben ist, wirkt der Kammfiltereffekt nicht besonders störend, da innerhalb dieses sehr kurzen Zeitfensters nur hohe Frequenzen davon beeinflusst werden. Nähert sich die Verzögerungs- bzw. Reflexionszeit 10 ms an, verlagern sich die Auslöschungen und Verstärkungen in den Grundtonbereich; der Kammfiltereffekt wird hörbar und zunehmend problematisch.

Treffen die Erstreflexionen wiederum mit 35 ms Verzögerung oder mehr ein, kann das menschliche Gehör die beiden Schallereignisse trennen und sie als Direktschall und dessen Reflexion wahrnehmen. Der Kammfiltereffekt schwächt sich somit ab und verschwindet schließlich ganz, wenn der Zeitversatz zwischen den beiden Schallereignissen groß genug ist.

Reflektierter Schall ist jedoch nicht das einzige Phänomen, das in der Praxis zu Kammfiltereffekten führt. Auch der Einsatz mehrerer Lautsprecher und Mikrofone kann Kammfiltereffekte verursachen. Im Folgenden schauen wir uns diese drei Fälle genauer an, um zu verstehen, wie wir problematische Kammfiltereffekte vermeiden können.

Kammfiltereffekte durch Schallreflexionen

Schall strahlt von einer Quelle aus und wird von nahegelegenen harten Oberflächen reflektiert. Schlägt beispielsweise ein Drummer bei der Abnahme der Snare-Drum das Fell an, trifft der abgestrahlte Schall sowohl auf das Mikrofon als auch auf die nahegelegenen Wände des Raums. Reflexionen entstehen auch an Tischplatten, Böden und Decken, sowie an Möbeln, Fenstern usw.

Da der reflektierte Schall eine weitere Strecke zurücklegt als der Direktschall, bis er das Mikrofon bzw. unsere Ohren erreicht, trifft er dort zeitverzögert ein. Beide Signale sind identisch, jedoch ist eines um ein paar Millisekunden verzögert, und dadurch entsteht ein Kammfilter, das einige Frequenzen auslöscht und andere summiert.

Es gibt einige Möglichkeiten, reflexionsbedingte Kammfiltereffekte zu vermeiden. Da z.B. die Energie einer Schallwelle über die Distanz rasch abnimmt, kannst du dies zu deinem Vorteil nutzen und die Mikros so nah wie möglich an der Schallquelle positionieren. So ist der Direktschallpegel deutlich lauter als die reflektierten Schallwellen.

Eine andere wirkungsvolle Methode ist die gezielte Absorption des Schalls an den Oberflächen, um die Reflexionen zu reduzieren. Alternativ kann eine Diffusion der Erstreflexionen deren Auswirkung deutlich verringern, indem sie diese in verschiedene Richtungen zerstreut und ihnen dadurch Energie entzieht. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Diffusion und Absorption von Schall, auf die wir in diesem Artikel jedoch nicht im Detail eingehen.

Kammfiltereffekte durch mehrere Lautsprecher

Immer wenn ein identisches Signal an mehreren Lautsprechern ausgespielt wird, können Kammfiltereffekte entstehen. Wenn du dich bei der Stereowiedergabe in gleichem Abstand zum linken und rechten Lautsprecher befindest, erreicht der Direktschall beider Seiten die Ohren zur gleichen Zeit, und alle Frequenzen bleiben phasengleich. Es tritt kein Kammfiltereffekt auf.

However, in any non-ideal environment where the listening does not take place precisely at the defined listening position, comb filtering will occur as the listener is sitting closer to one loudspeaker than the other, causing some frequencies to cancel and others to sum together.

Diese Problematik bei der Stereowiedergabe betrifft auch den Live-Bereich. Bei großen Publikumsbereichen kommen noch weitere Effekte durch Lautsprecher-Delays hinzu, d.h. Zusatzlautsprecher, die die Hauptanlage ergänzen. Ist die Anlage nicht ordnungsgemäß eingerichtet, erreichen der Schall aus den Hauptlautsprechern und das Signal aus dem Zusatzlautsprecher den Zuhörer zeitverzögert, wodurch ein Kammfiltereffekt entsteht.

Hier kommen einige Tipps zur Reduzierung dieses Phänomens. Bei großen Veranstaltungsorten versuchen die Tontechniker, den Schall aus allen Lautsprechern zu synchronisieren, indem sie unterschiedliche Delay-Zeiten für jedes Line-Array-Lautsprechersystem einstellen (Beispiel: QSC KLA oder WideLine Serie). Die Laufzeitanpassung der Lautsprecher kann immer nur für einen bestimmten Punkt optimal eingestellt werden, die Lösung ist aber trotzdem wirksam. Ein Standort neben der Achse der Haupt-Line-Arrays ist immer in gewissem Maße kompromissbehaftet. Bei mehreren Schallquellen lässt sich die Grundproblematik des Kammfiltereffekts nie komplett umgehen.

Wenn Lautsprecher als Punktschallquellen eine große Fläche abdecken sollen (Beispiel: QSC CP, K.2 oder KW Serie), sollte man deshalb Lautsprechermodelle mit einem sehr kontrollierten Abstrahlverhalten auswählen. Werden dann alle Lautsprecher so aufgestellt, dass sich ihre Abdeckungsbereiche möglichst wenig überschneiden, lassen sich Kammfiltereffekte weitgehend vermeiden.

Verwenden wir als Beispiel zwei KW152 Lautsprecher, die einen nominalen Abstrahlwinkel von 60 Grad und eine Abschrägung der seitlichen Gehäusewände von jeweils 18 Grad aufweisen. Werden beide Lautsprecher direkt nebeneinander aufgestellt, ergibt sich ein Öffnungswinkel von 36 Grad mit einer starken energetischen Überlappung, die zu ausgeprägten Kammfiltereffekten im Hörbereich führt. Eine größere Spreizung von 60 Grad zwischen den beiden Lautsprechern erweitert den Gesamtabstrahlwinkel auf 120 Grad und minimiert die Überschneidung.

Abbildung 2 – Kammfiltereffekt aufgrund überlappender Abdeckungsbereiche einzelner Lautsprecher (links), größerer Öffnungswinkel zwischen den Lautsprechern zur Minimierung des Kammfilters und Erweiterung des Abdeckungsbereichs (rechts).

Kammfiltereffekte durch mehrere Mikrofone

Mit Stereo-Mikrofonierungstechniken kannst du Aufnahmenmit einem realistischen räumlichen Klangbild erzielen. Wenn allerdings der Schall aufgrund des unterschiedlichen Abstands zu den Schallquellen zeitverzögert auf die verschiedenen Mikrofone trifft, werden im Mix einige Frequenzen ausgelöscht und andere summiert. In unserem vorherigen Beispiel mit dem Schlagzeug befinden sich verschiedene Mikrofone an unterschiedlichen Positionen im Raum. Das bedeutet, dass der Klang einer beliebigen Trommel an jedem Mikrofon zu leicht unterschiedlichen Zeiten ankommt, was zu Kammfiltereffekten führt.

Podiumsdiskussionen sind ein weiteres Beispiel, bei dem häufig mehrere Mikrofone gleichzeitig offen sind. Obwohl alle Teilnehmer ein eigenes Mikrofon haben, werden ihre Stimmen auch von den Nachbarmikrofonen eingefangen und dann gemischt, wodurch wiederum Kammfiltereffekte entstehen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Kammfiltereffekte zu reduzieren, die durch mehrere Mikrofone erzeugt werden. Die 3:1-Regel besagt, dass bei einem Mikrofon, das sich beispielsweise in einem Meter Entfernung von einer Schallquelle befindet, der Abstand zu benachbarten Mikrofonen mindestens drei Meter betragen sollte.

Ist eine räumliche Trennung zur Verringerung des Übersprechens zwischen den Mikrofonen nicht möglich, lässt sich mittels Gain-Automation (oder „Automix“ wie beim QSC TouchMix-30 Pro Digitalmischpult) der Pegel eines bestimmten Mikrofons beim Sprechen anheben und wieder absenken, wenn das Mikrofon nicht genutzt wird. Dies kann den Kammfiltereffekt deutlich reduzieren. Allerdings funktioniert diese Methode nicht, wenn gleichzeitig in zwei oder mehr Mikrofone gesprochen wird.

Fazit

Unerwünschte Kammfiltereffekte können durch Schallreflexionen oder den Einsatz mehrerer Lautsprecher oder mehrerer Mikrofone entstehen. Der resultierende Klang wird als metallisch und unnatürlich wahrgenommen, Stimmen können hart und schneidend klingen. Wenn ein Kammfiltereffekt auftritt, fehlen wesentliche Teile des Grundtonbereiches der ursprünglichen Signale. Da unser Gehör/Gehirn den gesamten harmonischen Gehalt eines Tons benötigt, um dessen Charakter naturgetreu wahrzunehmen, wirkt sich das Fehlen der Frequenzen im Grundtonbereich als grundlegende Verfälschung des Tons aus.

Durch Befolgen einiger simpler Tipps und Techniken lassen sich Kammfiltereffekte im Live-Bereich oder bei Aufnahmen in den meisten Fällen jedoch auf ein Minimum reduzieren. Viel Spaß beim Hören!

2 Kommentare zu “What is Comb Filtering and how to avoid it

  1. Nice article. Effective and simple way to clearly illustrate a mathematic nightmare for sound engineers.

  2. OK let me just be real here the powered monitors have to be the best speakers on the market I had a chance to use them in a show a couple of times and they blew everything away I don’t own a pair but Lord knows I buy for 12s Pure clarity awesome base response

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