Produkt: Professional System 1/2019
Professional System 1/2019
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Equalizer, Limiter und Kompressor

Welche elektronischen Hilfsmittel können die Beschallung verbessern?

Sie suchen nach Wegen, die Beschallung zu verbessern? Wann welche Hilfsmittel wie Equalizer und Kompressoren sinnvoll sind und welche Funktionen bei welchen Problemen am besten eingesetzt werden, zeigt dieser kurze Grundlagenartikel auf!

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In der professionellen Audiotechnik werden diverse periphere Geräte zur Optimierung von Beschallungsanlagen angeboten. Equalizer sollen die klangliche Abstimmung verbessern, Kompressoren den Sound verdichten und Limiter das Übersteuern verhindern. Richtig eingesetzt, kann mit diesen Geräten eine Menge über das Feintuning einer Anlage erreicht werden.

Die meisten Beschallungslautsprecher sind von Hause aus so abgestimmt, dass sie einen bestimmten Frequenzbereich mehr oder weniger klanglich neutral wiederzugeben in der Lage sind. Messtechnisch drückt sich das in einem geraden Frequenzgang aus. Dieser wird typischerweise auf der Mittelachse des Lautsprechers unter Freifeldbedingungen gemessen und behält seine Gültigkeit für einen gewissen Winkelbereich, den nominellen Abstrahlwinkel.

Nun befinden sich in der Realität nicht immer alle Zuhörer innerhalb dieses optimalen Winkelbereiches und auf eine reflexionsfreie Umgebung stößt man nur bei Freiluftveranstaltungen. Für das klangliche Resultat am Hörerplatz zeichnet sich daher nicht nur der Frequenzgang des Lautsprechers auf Achse verantwortlich, sondern der gesamte von einem Lautsprecher in den Raum eingebrachte Energieeintrag.

Tiefe Frequenzen werden von nahezu allen Lautsprechern rundum abgestrahlt und gelangen so über Reflexionen von den Raumbegrenzungsflächen mehrfach und zeitversetzt zum Zuhörer. In abgeschwächter Form gilt das auch für mittlere und hohe Frequenzen in Abhängigkeit von der Raumbeschaffenheit und des Abstrahlwinkels des Lautsprechers. Je größer dieser ist, umso mehr wird das raumkaustische Umfeld mit einbezogen und dieses wirkt sich umso stärker aus, je mehr reflektierende Flächen vorhanden sind. Letzteres drückt sich in der raumakustischen Messgröße der Nachhallzeit aus.

Filterung von Lautsprecheranlagen

Für den Klang respektive den Frequenzgang eines Lautsprechers ist somit nicht alleine der Freifeldfrequenzgang auf Achse einer Box relevant, sondern auch das Abstrahlverhalten einer Box und die umgebende Raumakustik. Werden zusätzlich noch Cluster aus mehreren Einzellautsprechern gebildet, dann kommt als weiterer wichtiger Faktor die akustische Kopplung der Lautsprecher hinzu, die von den tiefen zu den hohen Frequenzen hin abnimmt. Der langen Rede kurzer Sinn: Auch Lautsprecher mit einem insgesamt sehr gleichmäßigen Frequenzgang neigen durch den Einbau und die akustischen Randbedingungen oft zu einer tonal verfärbten oder unausgewogenen Wiedergabe.

Messwerte von Bescahllung

An dieser Stelle kommt dann der Equalizer ins Spiel, der sich im elektrischen Signalweg vor dem Lautsprecher befindet und dort das Signal passend zum (Fehl)verhalten des Lautsprechers vorverzerrt. Ein typisches Beispiel anhand einer Messung von Frontfill-Lautsprechern einer größeren Bühne zeigt Abbildung 1. Die grüne Kurve wurde aus mehreren Messpunkten im Publikumsbereich gemittelt, so wie der Lautsprecher sich ohne jegliche Filterung in dieser Einbausituation verhält. Im Verlauf der Kurve gibt es je eine Überhöhung bei 350 Hz und bei 2,5 kHz sowie eine breite Senke zwischen 800 Hz und 2 kHz. Für eine ausgewogene Wiedergabe sollte man hier versuchen die Kurve mit Hilfe eines Equalizers auf einen insgesamt leicht fallenden Verlauf hin zu entzerren.

Da es sich um eine Nahfeldbeschallung für Sprachwiedergabe mit hohem Direktschallanteil handelt, ist als Zielfunktion eine leicht fallende Gerade angemessen. Als Faustformel gilt hier, je höher der Direktschallanteil, d. h., je näher man sich an den Lautsprechern befindet oder je kürzer die Nachhallzeit des Raumes ist, desto flacher sollte die Zielfunktion verlaufen. Die blaue Kurve zeigt eine passend dazu ermittelte Equalizer-Einstellung mit vier parametrischen Filtern, so dass als messbares Gesamtergebnis dann ein Verlauf entsprechend der roten Kurve in Abbildung 1 entsteht. Auf ein zusätzliches Hochpassfilter, wie es für Sprachwiedergabe gerne benutzt wird, wurde hier in der Lautsprecherfilterung verzichtet, da sich der Hochpass bereits im Zuspielweg in den für Sprache genutzten Kanälen befindet.

Equalizer

Bei einem Equalizer denkt man meist an den klassischen grafischen Terz-EQ mit seinen 31 Fadern, mit deren Hilfe die gewünschte Filterkurve eingestellt wird. Vor allem in der Vergangenheit noch eher weniger verbreitet waren die so genannten parametrischen Equalizer, die meist über 3–6 Filter verfügen bei denen sich nicht nur das Gain, sondern auch die Mittenfrequenz und die Güte respektive Bandbreite einstellen lassen.

Parametrische Equalizer haben gegenüber den grafischen Modellen eine Reihe von Vorzügen zu bieten, da ihre Filter in der Breite und Frequenz exakt auf das gewünschte Verhalten abgestimmt werden können. Mit festen Terzfrequenzen muss dagegen häufig ein Kompromiss eingegangen werden, was die Genauigkeit der Kurve betrifft. Auch wenn es auf den ersten Blick nicht so erscheint, so ist ein parametrischer EQ mit nur vier Filtern in den meisten Fällen das deutlich mächtigere Werkzeug als ein grafischer Terz-EQ mit 31 Filtern. Die Filterkurve in Abbildung 1 wurde so z. B. mit einem parametrischen EQ mit drei Bell-Filtern und einem Highshelf realisiert.

Grafische EQs bieten zwar auf den ersten Blick eine bessere Übersicht, da die Filterkurve, wie man meinen könnte, der Stellung der Fader entspricht, was aber durchaus ein schwerer Trugschluss sein kann. Abbildung 5 zeigt von zwei schon legendären grafischen Terz-EQs die Filterkurven für die einzelnen Filter von 500 Hz bis 2 kHz und die Gesamtfunktion, wenn alle Fader bei +12 dB stehen.

Messwerte von Beschallung

Wie dramatisch unterschiedlich die Ergebnisse ausfallen können, zeigen die Messkurven für diese Einstellungen. Die Kurven sehen keinesfalls so aus, dass ein Plateau bei +12 dB zwischen 500 Hz und 2 kHz entsteht, sondern bei +14 dB mit 2 dB Welligkeit oder bei +23 dB, was fast dem Doppelten des eingestellten Wertes entspricht. Beides ist nicht weiter tragisch, wenn man sich dessen bewusst ist und die Geräte kennt.

Generell zeigen diese Beispiel aber die Problematik auf, dass es mit einem grafischen EQ, ganz im Gegenteil zur landläufigen Meinung, meist schwieriger ist eine gewünschte Filterfunktion zu erreichen, als mit einem parametrischen EQ, auch wenn dieser nur vier Filter hat. Viele der heute erhältlichen digitalen EQs oder die in Mischpulten und Audionetzwerken integrierten Filter bieten beide Varianten von EQs, so dass der Anwender immer seinen bevorzugten EQ-Typ finden wird. Parametrische EQs enthalten meist nicht nur die typischen Bellfilter, mit einstellbarer Mittenfrequenz, Güte und Verstärkung (siehe Abbildung 4), sondern zusätzlich auch noch Hochund Tiefpassfilter sowie High- und Low-Shelf-Filter.

Mit dieser Kombination lassen sich dann in der Regel alle Wünsche erfüllen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für typische Hoch- und Tiefpassfilter, die in ihrer Eckfrequenz (–3 dB) und manchmal auch in ihrer Flankensteilheit variiert werden können. Die Kurven zeigen Filter mit Steilheiten von 12, 24 und 48 dB/Okt. Einige Beispiele für Shelf-Filter finden sich in Abbildung 3, die meist nur in ihrer Eckfrequenz und Verstärkung parametriert werden können. In eher seltenen Fällen kann auch noch die Steilheit und die Güte variiert werden. Das Beispiel zeigt Shelf-Filter mit 6 dB Steilheit.

Beschallungstechnik Grundlagen und Messung

Ein sehr wichtiger Aspekt sollte jedoch immer beachtet werden. Auch das schönste Filter hat keinerlei Auswirkung auf den Nachhall eines Raumes. Wird Sprach- oder Musikwiedergabe durch zu viel Nachhall undeutlich und verwaschen, dann können mit Hilfe von Filtern zwar besonders kritische Bereiche zurückgenommen und tonale Verfärbungen nachgebessert werden, an der durch den Nachhall undifferenzierten Wiedergabe wird das aber grundsätzlich nichts ändern. Da helfen dann nur besonders stark richtende Lautsprecher und natürlich in letzter Konsequenz raumakustische Maßnahmen.

Feedback-Unterdrücker

Ein besonderer Typus von Filter sind die Notchfilter, die nur einen sehr schmalen Frequenzbereich ausblenden und damit besonders geeignet sind, um Feedbacks oder Resonanzen zu bekämpfen, wo nur genau der betroffene Bereich bearbeitet werden und der gesamte Rest möglichst unbehelligt bleiben soll. An dieser Stelle sind grafische EQs völlig fehl am Platze. Entweder man stellt parametrische Filter mit hoher Güte und passender Absenkung selber ein oder man vertraut auf einen der vielen am Markt erhältlichen Feedbackunterdrücker, die das Signal ständig nach Feedbacks durchforsten und bei Bedarf sofort ein scharfes Notchfilter an der betreffenden Stelle setzen.

Beschallungstechnik-MessungAbbildung 6 zeigt eine Filterkurve mit sieben Notchfiltern, die automatisch beim „Einpfeifen“ der Anlage durch ein solches Gerät gesetzt wurden. Der Gewinn an „Gain before Feedback“ durch solche Filter liegt je nach Situation zwischen 1 und 6 dB. Besonders wirksam sind Notchfilter gegen Rückkopplungen, wenn sich die Mikrophone nahe bei den Lautsprechern befinden, also zum Beispiel bei Bühnenmonitoren.

Limiter und Kompressoren

Speziell bei Lautsprecheranlagen für direkt eingesprochene Durchsagen gibt es häufig das Problem der stark schwankenden Lautstärke und Verständlichkeit. Je nachdem wie ein Sprecher zum Mikrophon steht und ob er laut oder leise spricht, schwanken die Pegel zum Teil erheblich. In Extremfällen kann es bei sehr lauten Einsprachen nahe am Mikrophon auch zu deutlich hörbaren Verzerrungen und unschönen Bassüberhöhungen kommen, die der Verständlichkeit sehr abträglich sind. Übliche Hilfsmittel sind hier Hochpassfilter, Kompressoren und Limiter.

Während das Hochpassfilter lediglich den Frequenzgang verändert, greifen Limiter und Kompressoren in die Verstärkung der Signalkette ein. Beide sind in ihrer Funktion einer automatischen Pegelanpassung zwar ähnlich, jedoch in wichtigen Details zu unterscheiden. Letztere reagiert sehr langsam mit Zeitkonstanten von einigen Sekunden und sorgt für eine in Grenzen gleiche Wiedergabelautstärke. Kompressoren und Limiter reagieren dagegen sehr kurzfristig und können auch kurze Signalspitzen abfangen, womit z. B. das Übersteuern einer Endstufe verhindert werden kann.

Abbildung 7 zeigt die Kennlinie eines Kompressor-Limiters mit der Eingangsspannung aufgetragen auf der x-Achse und der Ausgangsspannung auf der y-Achse. Bis zu einem bestimmten Grenzwert sind beide identisch und der Kompressor lässt das Signal unbeeinflusst. Dieser Wert (Threshold) liegt in unserer Grafik bei –4 dBu. Steigt die Eingangsspannung weiter an, wird die Verstärkung entsprechend der jetzt langsamer ansteigenden Kennlinie zurückgenommen.

Ein Kompressionsverhältnis von 1:2 würde so z. B. bedeuten, dass ein Pegelanstieg am Eingang von 6 dB am Ausgang nur einen Anstieg von 3 dB bewirkt. Hier arbeitet dann der Kompressor. In unserer Musterkennlinie geht die steigende Gerade ab +12 dBu Eingangsspannung in eine Parallele zur x-Achse über. Das heißt, egal wie weit jetzt die Eingangsspannung noch ansteigt, der Kompressor sorgt immer dafür, dass der Ausgangspegel nicht über einen Wert von +4 dBu ansteigt.

Das Kompressionsverhältnis beträgt dann 1:∞. Ein Kompressor mit 1:∞ wird auch als Limiter bezeichnet. Neben dem Threshold verfügen Kompressor und Limiter über zwei weitere wichtige Parameter, die Attack- und Release-Time. Die beiden Zeitkonstanten beschreiben wie schnell der Compressor einsetzt, wenn der Threshold überschritten wird und wie schnell die Wirkung bei einer Grenzwertunterschreitung wieder nachlässt. Attack-Zeiten sollten zur Vermeidung von Übersteuerungen kurz gewählt werden (Größenordnung 5–20 ms) und Release-Zeiten eher lang (200 ms–1 s) um mögliche Pumpgeräusche zu minimieren. Wie sich eine Kompressor/Limiter-Kombination in einem Sprachsignal auswirkt zeigt Abbildung 8. Die obere Kurve in Blau ist der Zeitverlauf des unkomprimierten Sprachsignals. Darunter in Grün das durch den Limiter sauber auf den Grenzwert reduzierte Signal und in Rot ein hart geclipptes Signal, so wie es z. B. durch eine übersteuerte Endstufe entstehen würde.

In der Ausschnittvergrößerung werden die Unterschiede klar, wo die rote Kurve einfach hart abgeschnitten wird und die durch den Limiter bearbeitete zwar in der Dynamik reduziert ist, aber ihren grundsätzlichen Verlauf beibehält.

Beschallungstechnik Grundlagen

Letzteres klingt im Höreindruck laut und dicht und dabei trotzdem unverzerrt. Ein derart komprimiertes Signal lässt sich deutlich besser aus einem Störsignal hervorheben als ein unbearbeitetes, ohne dass leise Anteile untergehen oder laute Passagen schon verzerren. Ein weiterer Vorzug liegt darin, dass die Leistungsreserven der nachfolgenden Endstufen und Lautsprecher geringer ausfallen können. Das Sprachsignal aus der Grafik wurde in den Spitzen um 12 dB komprimiert. D. h. für die unverzerrte Wiedergabe des unbearbeiteten Signals ist die 16fache Spitzenleistung gegenüber dem komprimierten Signal erforderlich. Auch wenn dieses Beispiel schon recht extrem ausfällt, lässt sich daran gut erkennen, dass für eine ausgeglichene Wiedergabe eine gewisse Signalkompression erforderlich ist, insbesondere wenn es sich um eine mit Störgeräuschen erfüllte Umgebung handelt. Am besten gelingt die Dynamikbearbeitung eines Signals mit einer Kombination aus Kompressor und Limiter.

Der Kompressor verdichtet das Signal bei geringeren Pegeln und der Limiter schützt im Grenzbereich vor Übersteuerungen. Durch den langsamen Einsatz des Kompressors fällt auch der Limiter, wenn er denn erforderlich ist, weniger auf, da der Einsatz nicht so plötzlich erfolgt.

In diesem Beitrag wurden die Funktionsweise und die Vorzüge von Equalizern und Kompressoren vorgestellt. Beide Geräte können, richtig eingesetzt, die Qualität einer Beschallungsanlage für Sprache oder Musik deutlich verbessern. Ebenso wichtig wie diese Erkenntnis ist es aber auch zu wissen, dass Schwächen der Lautsprecher mit diesen Mitteln nur sehr beschränkt und eine ungeeignete Raumakustik streng genommen gar nicht ausgeglichen werden können.

Text und Grafiken: Anselm Goertz

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