Raumakustik

Subwoofer im Hörraum - hilft viel viel?

 Subwoofer im Hörraum - hilft viel viel? (Teil 2)

Im 1. Teil des Artikel Subwoofer im Hörraum war das Fazit eher ernüchternd:

  Trotz eines bis 13 Hz linearen Subwoofers liess sich in unserem Hörraum an keiner der 76 Anregungspositionen für keine der 6 Hörpositionen mit nur einem Subwoofer ein ausgewogener Frequenzgang erzielen.

  Obwohl der Subwoofer ab 13 Hz mit etwa 18 dB/Oktave abfiel verläuft der Raumfrequenzgang < 20 Hz fast linear - Druckkammereffekt sei Dank! Dieser Effekt setzt bei kleineren Räumen mit steiferen Wänden bei höheren Frequenzen ein, so dass dort ultralineare Subwoofer "zu viel des Guten" machen.

  Bei 30 Hz gab es mit dem ultralinearen Subwoofer bei allen praktikablen Aufstellungspositionen in unserem Hörraum ein Dröhnproblem (Längsmode). Hier hilft nur ein parametrischer Equalizer oder ein Subwoofer der bereits ab 35-40 Hz steil abfällt und so den Problembereich gar nicht erst anregt.



HiFi-Selbstbau-Abonnenten hatten schon bisher die Möglichkeit das Anzeigeprogramm JustShow mit allen Daten herunterzuladen. Ab sofort ist die dort neue Programmversion verfügbar, die nun auch eine virtuelle Überlagerung mehrerer Subwoofer zulässt. Folgende Einstellungen sind möglich:

  • bis zu 12 identische Subwoofer können an verschiedenen Orten positioniert werden
  • der Pegel jedes einzelnen Subwoofers kann von +3 bis -18 dB variiert werden
  • die Polarität jedes einzelnen Subwoofers kann optional invertiert werden
  • die Verzögerung jedes einzelnen Subwoofers kann von 0 bis 30 ms (= 10.29 m) variiert werden

Dadurch lassen sich nicht nur "normale" Mehrfach-Subwooferanordnungen simuleren sondern auch DBA-Systeme - sofern die Subwoofer virtuell an einer der 76 gemessenen Position aufgestellt werden.

Digital Bass Array (DBA)
Wenn man an der Vorderseite des Raumes eine ebene Wellenfront anregen und diese an der Rückseite des Raumes spiegelbildlich "absaugen" würde müsse sich eine Freifeldausbreitung erzielen lassen ohne Ausprägung von Raummoden etc.

Zur Anregung müssen mehrere Basslautsprecher gleichmäßig auf der Vorderseite verteilt werden (z.B. je 3 Stück in der Breite und je 2 Stück in der Höhe). Die "Absaugung" muss identisch aufgebaut und mit identischem Pegel angeregt werden - allerdings werden die Chassis verpolt und das Signal um die Laufzeit zwischen Vorder- und Rückwand verzögert.

Damit ergeben sich allein 76 · 75 · 74 · 73 · 72 · 71 · 70 · 69 · 68 · 67 · 66 · 65 = 1.486 · 1020 verschiedene Aufstellungsmöglichkeiten von 12 Subwoofern (wenn man "doppelte" Aufstellungen ausschließt). Dann kann man noch jeden einzelnen anders einstellen (Pegel, Polarität, Verzögerung), so dass sich eine unübersehbare Vielzahl von Möglichkeiten ergibt. Genau diese unübersehbare Vielzahl von Möglichkeiten gibt es aber in jedem Hörraum - was die Angelegenheit "Subwooferintegration" nicht unbedingt leichter macht.

Mit dieser Vielzahl kann man eigentlich nur "spielerisch" umgehen. Genau deshalb stellen wir alle Messdaten sowie das Anzeigeprogramm zur Verfügung, damit man nach Lust und Laune ausprobieren und dadurch die Zusammenhänge "spielerisch" verstehen kann: "learning by playing".

Und wie geht das nun mit dem Programm JustShow?

Umgang mit JustShow

Beim Start von JustShow wird zunächst die Farbkartenansicht gezeigt:

Dies ist die Schalldruckverteilung im Raum bei Anregung an der gewählten Hörpositon - obwohl das "andersrum" gemessen wurde (in einem linearen System ist das aber austauschbar). Die Frequenz kann man über den Schieberegler oben rechts wählen (hier 28.93 Hz), daneben wird die mittlere Raumenergie angegeben. Ein "Hörplatz" kann durch die Combobox oben rechts gewählt werden. Wenn mehrere Positionen gewählt werden (z.B. "alle vorne") werden die Einzelmessungen energetisch genittelt.

Wenn man den kompletten Frequenzgang am Hörplatz sehen will kann man dies über "Anzeige/Frequenzspektrum" erreichen:


Hinweis: In der Version 0.95 gab es in dieser Ansicht einen Darstellungsfehler, der mit der Version 0.99 behoben wurde.

Die magentafarbene Kurve zeigt den energetischen Mittelwert aller gewählten Anregungs- und Hörpositionen. Über die beiden Schieberegler oben links kann man die Anregungsposition(en) festlegen, bei der Hörposition bleibt alles wie gehabt. Wenn man den Schalter "Mikros mitteln" aktiviert werden für jede Anregungsposition nicht mehr die Frequenzgänge an den einzelnen Hörpositionen gezeigt sondern nur noch der energetische Mittelwert der Hörpositionen.

Ausgehend von dieser Frequenzgang-Ansicht kann man nun über "Anzeige/Berechne komplexe Summe" virtuell mehrere Subwoofer im Raum positionieren. Zunächst erscheint die Eingabmaske:

Die Anzahl der virtuellen Subwoofer wird mit dem Schieberegler oben eingestellt. Für jeden virtuellen Subwoofer muss nun die:

  • gemessene Anregungsposition (X von 1 bis 12, Y von 1 bis 8),
  • der Anregungspegel (+3 bis -18 dB in ganzen dB-Schritten),
  • sowie die Verzögerung (0 bis 30 ms in ganzen ms-Schritten) und
  • die Polarität (0°=positiv oder 180°=negativ)

eingegeben werden. Wenn eine nicht gemessen Anregungsposition eingegeben wurde "meckert" die Maske und fordert eine "gültige" Position:

Wenn man die Maske mit "Abbrechen" verlässt werden alle Änderungen verworfen, ansonsten wird die phasenrichtige Überlagerung aller virtueller Subwoofer berechnet.

Die aktuellen Berechnungsparameter werden oberhalb des Diagramms angezeigt. Im Diagramm werden zunächst alle Frequenzgänge aller beteiligten virtuellen Subwoofer an den gewählten Hörpositionen angezeigt (wobei die Lautstärke gemäß den Vorgaben in der Maske geändert wurde). Danach wird an der Hörposition die phasenrichtige Überlagerung berechnet (unter Berücksichtigung der jeweiligen Polarität und Verzögerung) und mit einer dicken blauen Kurve angezeigt. Werden mehrere Hörpositionen gewählt werden die einzelnen phasenrichtigen Überlagerungen zum Schluss energetisch gemittelt.

Starten wir mal mit einem Subwoofer bei X=2 und Y=2 und betrachten wir den Frequenzgang vorne rechts:

Wenn man nun auf der rechten Seite (X=2, Y=7) einen identischen Subwoofer hinzufügt ergibt sich folgende Überlagerung:


-> uups, das war ja wohl nix, oder?

In Querrichtung (4.31 m) besitzt unser Hörraum eine Raummode bei 343/2 [m/s] / 4.31 [m] = 39.8 [1/s = Hz]. Diese kann an den Seitenwänden sehr gut angeregt werden. Regt man sie jedoch an beiden Seitenwänden gleichzeitig an, so wir die Ausbreitung der Mode gestört. Daher ergibt sich bei Addition beider Beiträge dort ein "Loch", während sich bei fast allen anderen Frequenzen eine Erhöhung um 6 dB zeigt. Verpolt man einen der beiden virtuellen Subwoofer ergibt sich folgender Frequenzgang:


-> jetzt gibt es bei tiefen Frequenzen Auslöschungen, aber um 40 Hz addieren sich die Effekte

Am störensden war bisher die Raummode bei 30 Hz, eine stehende Welle zwischen Front- und Rückwand. Demzufolge müsste man einen Subwoofer an die Vorder- und einen an die Rückseite stellen. Gesagt, simuliert:


-> schon ziemlich gut! Der schmale Einbruch bei 31 Hz wird kaum stören

Wie wäre es denn, wenn man den hinteren Subwoofer verpolt und das Signal zeitlich verzögert (= DBA-Anordnung)? Reichen da 2 Subwoofer oder müssen es 4 oder mehr sein? Gefragt, simuliert:


-> bereits mit 2 Subwoofern lässt sich der Frequenzgang mit einer DBA-Anordnung an einem Hörplatz weiter linearisieren

Der eigentliche Vorteil eines DBA-Systemes besteht aber darin, dass man an allen Hörplätzen weitgehend frei von Raummoden ist. Dafür braucht man dann aber doch ein paar mehr virtuelle Subwoofer, denn: von nix kommt nix! Hier erst mal die 3 vorderen Hörpositionen mit dem obigen Setup:


-> 2 Subwoofer sind noch nicht optimal für eine gleichmäßige Wiedergabe im Bassbereich

Aber mit dem Programm JustShow hat man ja alle Daten parat und kann stundenlang virtuell Subwoofer schieben und virtuelle DBAs bauen. Das folgende Bild zeigt die Verhältnisse mit 4 Subwoofern in DBA-Anordnung (2 vorne, 2 hinten):


-> mit 4 Subwoofern in DBA-Anordnung lässt sich schon eine recht ausgewogene Wiedergabe < 55 Hz erreichen

Es fällt auf, dass es bei der DBA-Anordung ganz tieffrequent eher zu konstruktiver Überlagerung kommt, während es am oberen Ende des wirksamen DBA-Bereichs eher zu Auslöschungen kommt. Das bedeutet, dass man für DBA-Anordnungen keine Subwoofer benötigt die ultralinear sind sondern eher solche, die zu tiefen Frequenzen flach abfallen (also z.B. geschlossene Gehäuse). Generell ist ein DBA-System im Mittel "leiser" als wenn alle Subwoofer unverpolt und unverzögert betrieben würden. Dafür ist es aber auch ausgewogener. Man kann halt nicht alles haben . . .


Fazit:

An mehreren Hörpositionen eine gleich ausgewogene Basswiedergabe zu erreichen bleibt schwierig. Dafür braucht man auf jeden Fall mehrere Subwoofer. Eine DBA-Anordnung (die Hälfte der Subwoofer wird verpolt und zeitverzögert) ist in der Regel besser (= auf mehreren Hörpositionen ausgewogener) als die Verwendung gleich vieler "normaler" Subwoofer. Dann sollten keine ultralinearen Subwoofer sondern solche mit flachem Bassabfall verwendet werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Die aufwändige Vermessung in Kombination mit dem speziell erstellten Auswerteprogramm JustShow einen detaillierten Einblick in das Verhalten unseres Hörraumes im Bassbereich und in die Möglichkeiten und Grenzen von Multi-Subwoofer-Anordnungen ermöglicht hat.

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