Einblicke in die QSC Cardioid Subwoofer-Lösungen

In diesem Beitrag stellen wir zunächst die verschiedenen Herausforderungen bei der Konfiguration eines Subwoofer-Arrays mit Nierencharakteristik dar. Anschließend wird erläutert, wie du mit den QSC Subwoofer-Lösungen hervorragende Ergebnisse erzielen kannst.

Vielleicht klären wir zunächst einmal, was wir unter einem Subwoofer verstehen. Ein Subwoofer – oder „Sub“ – ist ein Lautsprecher, der speziell für die Wiedergabe der tiefen Audiofrequenzen ausgelegt ist, die man gerne einfach nur als Bass bezeichnet. Der Subwoofer verstärkt typischerweise die Bassfrequenzen zwischen 20 Hz und 120 Hz, während die Hauptlautsprecher die höheren Frequenzen abdecken.

Ein bisschen Geschichte

Mitte der 1950er Jahre begannen verschiedene Hersteller von Hi-Fi-Lautsprechern, kompakte, versiegelte Gehäuse mit Langhub-Tieftönern anzubieten. In den 1970ern wurden Subwoofer dank der Einführung von SenSurround in Filmen wie „Earthquake“ bekannt. Mit so wunderbaren Errungenschaften wie der Kompaktkassette und CD in den 1980ern war die Wiedergabe von tiefen, lauten Bassfrequenzen nicht mehr durch die Bewegung der Plattenspielernadel limitiert. Und Subwoofer wurden immer populärer. In den 1990ern fanden Subwoofer dann bereits in Heim-Stereoanlagen, hochwertigen Auto-Soundanlagen und Beschallungssystemen Anwendung. Seit den 2000ern sind Beschallungssysteme in Clubs und auch bei Live-Konzerten standardmäßig mit Subwoofern ausgestattet.

Die konventionelle Abstrahlcharakteristik von Subwoofern

Konventionelle Subwoofer strahlen die Schallwellen kugelförmig ab, sofern diese nicht von einer festen Oberfläche oder durch Gegendruck beeinflusst werden. Unter 200 Hz breiten sich die Schallwellen in alle Richtungen gleichmäßig aus, da die Richtcharakteristik durch das Verhältnis der Wellenlänge zur Größe des Schallwandlers und des Lautsprechergehäuses bestimmt wird. Die Länge einer Schallwelle ist umgekehrt proportional zu ihrer Frequenz. Wenn eine Schallwelle deutlich länger ist als die Abmessungen des Tieftöners und des Subwoofer-Gehäuses, wird der Schall in alle Richtungen gleichermaßen abgestrahlt, auch zu den Seiten und nach hinten.

Die folgende Grafik zeigt dies anhand einer Messung zweier Standard-Subwoofer, die in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Dies ist das normale Abstrahlverhalten jedes Subwoofers, sofern es sich nicht um einen Subwoofer mit nierenförmiger Abstrahlcharakteristik handelt. Die Bassenergie breitet sich in alle Richtungen aus, in jeder Umgebung, drinnen wie draußen. Dies kann dazu führen, dass zu viel tieffrequente Energie in die Mikrofone der Musiker einstreut, oder dass sich die tiefen Frequenzen störend auf eine andere Veranstaltung in der Nähe auswirken.

Die Frequenzen liegen auf der X-Achse, die Y-Achse zeigt den Abstrahlwinkel (Null = on-axis). Die Lautstärke des Signals ist durch verschiedene Farben dargestellt (0 dB = maximale Lautstärke).

Abb. 1 – Abstrahlverhalten zweier gerichteter Subwoofer mit Kugelcharakteristik, in die gleiche Richtung ausgerichtet und mit identischen EQ-Einstellungen, gemessen in einer Entfernung von 4 m.

Gerichtete Subwoofer mit Nierencharakteristik

Die kugelförmige Abstrahlung der tiefen Frequenzen kann Rückkopplungen und Überbetonungen des Bassbereichs verursachen und zudem die werten Nachbarn stören. Seit den späten 50er-Jahren arbeiten Toningenieure daran, mehrere Subwoofer anzuordnen. Um der abgestrahlten Schallenergie solcher Anordnungen eine Richtwirkung zu verleihen, müssen Delay, Polarität, Ausgangslautstärke und Abstand der Boxen optimal angepasst werden. Der Begriff nierenförmige Abstrahlung bezieht sich auf die Form des Abstrahlbereichs, mit einer höheren Lautstärke an der Vorderseite und geringerer Lautstärke an der Rückseite.

Bei der Einstellung der oben genannten Parameter müssen verschiedene physikalische Grundlagen beachtet werden, um eine nierenförmige Abstrahlung zu erzielen. Das ist seit Jahren eine ziemliche Herausforderung für Toningenieure und Produktionsfirmen.

Subwoofer-Arrays mit Nierencharakteristik korrekt aufbauen

Um die Herausforderungen zu verdeutlichen, die bei der Einrichtung einer nierenförmigen Abstrahlcharakteristik mit zwei Subwoofern auftreten können, betrachten wir im Folgenden die relevanten Parameter. Wir gehen in allen dargestellten Fällen von einer Anordnung zweier gerichteter Subwoofer mit nach vorn und nach hinten abstrahlenden Tieftönern aus.

A) Polaritätsumkehrung und konstantes Delay

Im ersten Beispiel arbeiten wir mit entgegengesetzten Polaritäten (180 Grad Phasenverschiebung des hinteren Tieftöners) und einer angemessenen zeitlichen Verzögerung (Delay) zwischen den Tieftönern. Das Delay ist über den gesamten Übertragungsbereich des Tieftöners konstant.

In diesem Fall variiert die Abdeckung zwischen 180° bei 50 Hz und 270° bei 150 Hz. Die seltsame, hufeisenförmige rote Fläche in der folgenden Abbildung zeigt, dass der Subwoofer oberhalb von 140 Hz nicht einsetzbar ist (schwarze Linie). Die nierenförmige „Auslöschung“ tritt nur unterhalb von 70 Hz auf (blaue Flächen). Das bedeutet, dass ein solches Subwoofer-Array bei sehr tiefen Frequenzen ein nierenförmiges Abstrahlverhalten zeigt, aber mit steigender Frequenz immer weiter davon abweicht. In diesem Fall wird nach wie vor zu viel Bass in ungewünschte Bereiche abgestrahlt.

Abb. 2 – Abstrahlverhalten zweier gerichteter Subwoofer mit entgegengesetzter Polarität und konstantem Delay, gemessen in einer Entfernung von 4 m.

Abb. 3 – Abstrahlverhalten zweier gerichteter Subwoofer mit entgegengesetzter Polarität und konstantem Delay, gemessen in einer Entfernung von 4 m.

B) Zu kurzes Delay
Im zweiten Beispiel ist das Delay zwischen den Tieftönern zu kurz eingestellt. In diesem Fall ist die Abstrahlung nach vorne präziser, aber die unerwünschte Abstrahlung nach hinten (rote Bereiche bei 180/-180°) macht den nierenförmigen Auslöschungseffekt vollständig zunichte. Das bedeutet, dass die Bassabsenkung an der Seite des Subwoofers akzeptabel ist, während nach hinten noch viel Bassenergie abgestrahlt wird. Auch diese Anordnung ist nicht optimal, da damit keine echte Nierencharakteristik erreicht wird.

Abb. 4 – Abstrahlverhalten zweier gerichteter Subwoofer mit entgegengesetzter Polarität und zu kurzem Delay, gemessen in einer Entfernung von 4 m.

Abb. 5 – Abstrahlverhalten zweier gerichteter Subwoofer mit entgegengesetzter Polarität und zu kurzem Delay, gemessen in einer Entfernung von 4 m.

 3. C) Zu langes Delay

Umgekehrt führt ein zu langes Delay zwischen den Tieftönern dazu, dass die Bassabsenkung an der Seite nicht sehr effektiv ist und die Abstrahlung der Bassfrequenzen im oberen Übertragungsbereich des Subwoofers wieder fast kugelförmig wird. Nach wie vor wird zu viel Bassenergie verschwendet und z.B. in den leeren Bereich hinter den Lautsprechern abgestrahlt – oder in die Mikrofone der Musiker.

Abb. 6 – Nierencharakteristik zweier Subwoofer mit entgegengesetzter Polarität und zu langem Delay, gemessen in einer Entfernung von 4 m.

Abb. 7 – Nierencharakteristik zweier Subwoofer mit entgegengesetzter Polarität und zu langem Delay, gemessen in einer Entfernung von 4 m.

Die QSC Cardioid-Lösungen

QSC hat anwenderfreundliche Produkte und Lösungen entwickelt, die die Einrichtung von Subwoofer-Arrays mit nierenförmiger Abstrahlcharakteristik erleichtern und jederzeit eine perfekte nierenförmige Abstrahlung sicherstellen. Die neueste QSC DSP-Technologie führt die komplexe Verarbeitung durch, bei der nach hinten ausgerichtete Tieftöner die erwünschten Auslöschungen erzeugen, während an der Vorderseite des Gehäuses die ebenso erwünschte Summierung erfolgt. Das Ergebnis ist eine ideale nierenförmige Abstrahlcharakteristik mit einem um 15 dB höheren Pegel an der Vorderseite als an der Rückseite.

Zwei aktive Subwoofer der QSC KS-Serie bieten eine nierenförmige Abstrahlcharakteristik. Der kompakte und leichte KS212C, der von einer dualen Class-D-Endstufe mit 1800 Watt angetrieben wird, ist eine Einzelgehäuselösung mit Nierencharakteristik und zwei langhubigen 12-Zoll-Tieftönern. Der neue KS118 ist ein aktiver Subwoofer mit hoher Ausgangsleistung, dessen Class-D-Endstufe mit 3600 Watt einen direkt abstrahlenden 18-Zoll-Tieftöner antreibt. Der integrierte DSP ermöglicht es Anwendern, zwei oder mehr Geräte in einer Forward-Backward-Anordnung mit nierenförmiger Abstrahlcharakteristik aufzustellen.

Dank des modernen DSPs ist es möglich, eine präzise nierenförmige Abstrahlcharakteristik zu implementieren, wenn die korrekten Werte für Abstand, Polarität, Ausgangslautstärke und Delay zwischen den Subwoofer angewendet werden. Die vollständige Kontrolle über die Topologie und den EQ des Subwoofers (besonders beim KS212C, bei dem der Abstand zwischen den Treibern unveränderlich ist) ermöglicht uns die präzise Konfiguration eines DSP-Filters mit frequenzabhängigen Werten für Delay und Lautstärkeanpassung. Dadurch lässt sich eine optimierte nierenförmige Abstrahlcharakteristik über den gesamten nutzbaren Frequenzbereich erreichen - mit maximaler rückseitiger Absenkung und optimalem On-Axis-Schalldruckpegel.

Mit diesen Lösungen bleibt der Bass da, wo er hingehört: nämlich auf der Bühne - ohne Basseinstreuungen in die Mikrofone der Musiker, ohne wackelnde Wände, und ohne dass die Veranstaltung nebenan gestört wird.

Abb. 8 – Abstrahlverhalten des QSC KS212C Cardioid Subwoofers, gemessen in einer Entfernung von 4 m. Die blauen Flächen zeigen die Auslöschung. Die schwarzen Linien verdeutlichen den nutzbaren Bereich.

Abb. 9 – Abstrahlverhalten des QSC KS212C Cardioid Subwoofers, gemessen in einer Entfernung von 4 m. 

 

Fazit

Mit etwas Übung und Erfahrung ist es möglich, ohne zusätzliche Elektronik, ein Subwoofer-Array mit einer nierenförmigen Abstrahlcharakteristik aufzubauen. Fehler bei der Einstellung der relevanten Parameter – darunter Abstand, Delay, Polarität und Ausgangslautstärke – können allerdings zu einem unerwünschten Abstrahlverhalten führen.

Um die Einrichtung zu vereinfachen und allen QSC Anwendern eine perfekte nierenförmige Abstrahlcharakteristik ihrer Subwoofer zu bieten, haben wir nutzerfreundliche Produkte und Lösungen für verschiedene Live-Sound-Anwendungen entwickelt.

Danke

Vielen Dank an Rémi Vaucher, QSC Senior Technical Director, für all die Infos und die Messungen, die er für diesen Artikel bereitgestellt hat.