Lautsprecherzeilen in der Praxis

Elektronisch in ihrer Richtwirkung gesteuerte Lautsprecherzeilen haben in der Beschallungstechnik schon eine lange Tradition. Verfahren zur Filterung der einzelnen Lautsprecher finden sich in diversen Patentschriften, wo mit akustischen und aktiven sowie passiven elektrischen Filtern versucht wird, die einzelnen Systeme in einer Zeilenanordnung so zu beeinflussen, dass als Gesamtresultat ein gewünschtes Richtverhalten entsteht.

Die Theorie

Kurz zur Erinnerung: Eine vertikal angeordnete Lautsprecherzeile entwickelt in der vertikalen Ebene ein sehr ausgeprägtes Richtverhalten, das von der Relation der Gesamtlänge der Anordnung zur Wellenlänge abhängig ist. Je höher die Frequenz, desto ausgeprägter ist die Richtwirkung oder anders ausgedrückt, je länger die Zeile, desto stärker ist die Bündelung der Schallabstrahlung in dieser Ebene. Die erste charakteristische Größe für eine Lautsprecherzeile ist daher die Gesamtlänge (l) der Anordnung. Sofern die Zeile aus einzelnen Lautsprecher besteht, ist die zweite wichtige Größe der Abstand der einzelnen Lautsprecher (d) zueinander.

Das Abstrahlverhalten lässt sich aus dem Richtverhalten einer entsprechenden Anordnung von Kugelquellen im Abstand d und mit der Gesamtlänge l überlagert mit dem Richtverhalten des einzelnen Lautsprechers berechnen.

Werden alle Quellen mit dem gleichen Signal angesteuert, dann entsteht ein mit zunehmender Frequenz immer ausgeprägteres Richtverhalten. Neben der Hauptkeule im Richtdiagramm gibt es zu den Rändern hin abfallende kleine Nebenmaxima. Ein zweiter Effekt setzt ein, sobald die Wellenlänge des abgestrahlten Signals kürzer als der Abstand zwischen den einzelnen Lautsprechern der Zeile (d) wird. Oberhalb dieser Grenze entstehen bei (90° neue zusätzliche Maxima in der Richtfunktion, die theoretisch den gleichen Wert erreichen wie das nach vorne gerichtete Hauptmaximum. Mit weiter zunehmender Frequenz entstehen immer mehr dieser zusätzlichen Hauptmaxima, die in ihrer Lage auf die 0°-Achse zuwandern. Solche Sideloops sind natürlich äußerst unerwünscht und sollten möglichst vermieden werden.

Fassen wir das bisher Gesagte zusammen, dann kann man resümieren, dass zeilenförmige Lautsprecheranordnungen ein recht ausgeprägtes und kontinuierlich mit der Frequenz enger werdendes Richtverhalten aufweisen, das zusätzlich oberhalb einer durch den Abstand der einzelnen Lautsprecher zueinander bestimmten Frequenz beginnt, starke seitliche Maxima auszubilden. Lautsprecherzeilen in der Praxis Beide Eigenarten sind in der Praxis nicht unbedingt erstrebenswert, da man sich zwar häufig ein enges vertikales Abstrahlverhalten wünscht, jedoch möglichst unabhängig von der Frequenz und natürlich ohne Sideloops.

Letzteres lässt sich entweder durch eine enge Anordnung entsprechend kleiner Lautsprecher oder durch eine kontinuierliche Strahlerfläche, z. B. einen lang gestreckten Magnetostaten, verhindern. Für einen Fullrange-Lautsprecher liegt daher der Gedanke einer zweigeteilten Zeile mit Lautsprechern unterschiedlicher Größe nahe.

Kleine eng angeordnete Hochtöner übernehmen den hochfrequenten Bereich und die größeren Systeme den Tieftonbereich bis maximal zu der Frequenz, wo deren Abstand die gefürchteten Sideloops verursachen würde. So weit, so gut, nur würde mit einer solchen Anordnung aus z. B. je acht Tieftönern und Hochtönern ein kräftiger Sprung im Richtverhalten bei der Übergangsfrequenz entstehen, da die Tieftonzeile in ihrer Gesamtlänge viel ausgedehnter ist als die kleine Hochtonzeile.

Die Lösung des Problems liegt in einer dedizierten Ansteuerung jedes einzelnen Lautsprechers, so dass durch entsprechende Tiefpassfilter die effektive Länge der Zeile mit zunehmender Frequenz immer kürzer wird. Einfach ausgedrückt: Bei den tiefen Frequenzen laufen alle Lautsprecher in der Zeile und mit zunehmender Frequenz wird die Anzahl der Lautsprecher kontinuierlich reduziert. Mit einem solchen Verfahren wird das Verhältnis der Wellenlänge zur effektiv wirksamen Zeilenlänge weit gehend konstant gehalten und damit auch das Richtverhalten. Für eine 2-Wege-Anordnung mit je acht Tiefund Hochtönern bedeutet das, im Frequenzbereich von den tiefen zu den hohen Frequenzen hin betrachtet, dass zunächst alle Tieftöner arbeiten und mit steigender Frequenzen einer nach dem anderen von außen kommend ausgeblendet wird.

Bei der Trennfrequenz sollte dann die effektive Länge der Tieftonzeile möglichst so groß sein wie die Gesamtlänge der Hochtonzeile, womit ein gleichmäßiger Übergang möglich wird. Der gleiche Prozess wiederholt sich dann für die Hochtonzeile, wo auch wieder mit steigender Frequenz die effektive Länge verkürzt wird.

Durch eine Variation der Trennfrequenz und die Skalierung der Tiefpassfilter für die einzelnen Lautsprecher ist man damit auch in der Lage, auf elektronischem Wege ein Verhältnis von effektiver Zeilenlänge zur Wellenlänge in gewissen Grenzen vorzugeben, was in der Praxis bedeutet, dass sich der Öffnungswinkel in der vertikalen Ebene einstellen lässt. Ist man jetzt schon einmal dabei jeden Lautsprecher individuell gefiltert anzusteuern, dann kann man sich noch einen weiteren Effekt der Zeilenanordnung zu Nutze machen. Durch den Einsatz von Delays in den einzelnen Wegen kann die Richtkeule in weiten Bereichen nach oben oder unter geschwenkt werden.