Beam-Steering für Displays & LED: Sony SLS-1A im Test

Aus kompakten Modulen können verschie­denste Kombinationen vom einfachen Linien­strahler bis zum Soundsystem für große LED-Bildschirme zusammengestellt werden: Mit dem SLS-1A begibt sich auch Sony auf den florierenden Markt der Beam-Steering-Laut­sprecher. Die Konfiguration erfolgt entweder über die hauseigene Line-Array Speaker Manager Software – oder sogar mithilfe des neuen FIRmaker 3D von AFMG in Berlin.

(Bild: Anselm Goertz)

Inhalt dieses Tests:

• Voraussetzungen für die Formung eines Beams
• Beam Steering in 2D, 3D …
• Software und Vernetzung
• Messwerte
• Abstrahlverhalten: Directivity der SLS-1A
• Maximalpegel
• Fazit

Die flexibel gerichtete Schallabstrahlung über Lautsprecher- Arrays mithilfe digitaler Filter ist schon seit über 30 Jahren Stand der Technik. Die meist als „DSP-Zeilen“ bezeichne­ten Lautsprecher bieten vor allem bei schwierigen akustischen Verhältnissen deutliche Vorteile gegenüber her­kömmlichen Systemen: Ihr Abstrahlverhalten kann in wei­ten Bereichen an die gegebenen Erfordernisse angepasst werden, so dass die Zuhörer gezielt beschallt werden, ohne den Nachhall eines umgebenden Raumes unnötig anzuregen.

Die Technik des Beam Steerings hat sich über die Jahre dank leistungsfähigerer DSP-Systeme und besserer Konfi­gurationssoftware beständig weiterentwickelt, so dass Stand 2023 eine große Menge und Bandbreite von Beam- Steering-Lautsprechern diverser Hersteller auf dem Markt ist. Mit dem Modell SLS-1A steigt nun mit Sony auch eine der ganz großen Marken der Medientechnik in diese Sparte ein. Geht man dazu auf die Homepage von Sony zum SLS-1A, dann erkennt man sofort, um was es primär geht: Bis auf eine Ausnahme zeigen alle Bilder mit An­wendungsbeispielen große LED-Bildschirme, die seitlich oder auch komplett umlaufend von den SLS-1A-Zeilen flankiert werden.

Um dabei möglichst flexibel zu bleiben, ist das einzelne Modul mit einer Höhe von 384mm und einer Grundfläche von 110 × 92mm sehr kompakt gehalten, so dass eine Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten gut möglich ist. Die SLS-1A können dazu mechanisch und elektrisch verbunden und als horizontale oder vertikale Arrays mon­tiert werden. Die dazu erforderlichen mechanischen Teile liegen den Lautsprechern bei. Wie gut und in welchem Frequenzbereich das elektronische Beam Steering funktio­niert, hängt von mehreren Randbedingungen ab.

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Voraussetzungen für die Formung eines Beams

Beamforming bei tiefen Frequenzen, respektive einer gro­ßen Wellenlänge, bedarf einer großen Ausdehnung des Arrays. Je länger das Array ist, umso besser gelingt das Beamforming. Bei hohen Frequenzen ist dagegen die Granularität des Arrays relevant. Je geringer der Abstand der einzelnen Quellen des Arrays zueinander ist, umso später treten die unerwünschten Nebenmaxima im Richt­verhalten auf. Sobald der Abstand der einzelnen Quellen in die Größenordnung der Wellenlänge kommt, treten die Nebenmaxima bei ±90° auf und wandern dann mit zu­nehmender Frequenz zur Mitte hin. Im Vorgriff auf die Messergebnisse sei dazu ein Blick auf Abb. 9 empfohlen, wo genau dieser Effekt ab ca. 7kHz aufwärts zu erken­nen ist.

Bei Sony wurde speziell unter diesem Aspekt ein klei­ner Treiber mit rechteckiger Membran entwickelt, der einen kleinen Quellenabstand ermöglicht und auch die Lücken zwischen den Treibern minimiert. Weitere Beson­derheiten dieses kleinen Treibers sind die Füllung des Luftspaltes mit Ferrofluid und der Verzicht auf eine Zentrierspinne für die Schwingspule.

Zwischen den beiden Anforderung eines möglichst aus­gedehnten Arrays für tiefe Frequenzen und einer mög­lichst feinen Unterteilung in Einzelquellen für hohe Fre­quenzen besteht so zunächst einmal kein Widerspruch. Es gilt jedoch zu beachten, dass ausgedehnte Arrays zu einer extremen Bündelung mittlerer und hoher Frequen­zen führen können, wenn sie nicht entsprechend gefiltert werden. Möchte man über einen weiten Fre­quenzbereich ein gleichmäßig breites Abstrahlverhalten erreichen, dann muss das Array so vorgefiltert werden, dass die effektiv wirksame Zeilenlänge in Relation zur ab­gestrahlten Wellenlänge möglichst konstant bleibt. Soll die Abstrahlung zusätzlich noch geneigt werden, dann bedarf es auch noch entsprechender Delays und Allpass­filter für die einzelnen Wege. Möchte man alles zusam­men möglichst flexibel umsetzen, dann bieten sich dazu FIR-Filter in den einzelnen Kanälen an, die weitreichende und voneinander unabhängige Eingriffe in den Amplituden-und Phasenverlauf ermöglichen.

Für die Elektronik bedeutet das, jeder der vielen kleinen Treiber benötigt einen eigenen Verstärkerkanal und eine separate Signalzuspielung mit der erforderlichen Filterung. Winzig kleine Class-D-Verstärker und leistungsfähige DSPs machen das heute in Perfek­tion möglich. Im SLS-1A sind das acht Verstärkerkanäle zu je 10 W, die für den Antrieb sorgen. Jeder SLS-1A hat ein eigenes Netzteil und kann damit bei Bedarf über die 24-Volt-Anschlüsse noch zwei weitere SLS-1A versor­gen, die dann kein eigenes Netzkabel benötigen. Die Signalzuspielung kann ent­weder analog oder via Dante-Audionetzwerk erfolgen. Für den zugehörigen Netzwerkanschluss gibt es jeweils zwei Buchsen, die im Switched-Modus arbeiten, womit von einem Lautsprecher zum nächsten durchverbunden werden kann.

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Beam Steering in 2D, 3D …

Zur Konfiguration der SLS-1A können verschiedene Metho­den angewandt werden. Im einfachsten Fall erfolgt für eine einzelne SLS-1A die Einstellung über die DIP-Switches an der Rückseite, wo mithilfe des Manuals zwischen sechs voreingestellten Beams gewählt werden kann. Möchte man es komfortabler haben oder größere Arrays einstel­len, dann kann die Einstellung über die zugehörige Line-Array Speaker Manager Software (LAS) vorgenommen werden. Mehrere SLS-1A, die als ein zusammenhängen­des horizontales oder vertikales Array definiert sind, for­men dann jeweils einen Beam. Da der Beam hier immer nur in einer Ebene definiert werden kann, spricht man von einem 2D-Beamfor­ming. Abb. 1 zeigt dazu ein einfaches Beispiel.

Sobald mehrere SLS-1A eine Fläche, z.B. einen LED-Screen, umgeben, wie das Beispiel aus Abb. 2 zeigt, besteht auch die Möglich­keit des 3D-Beamformings mit einer weiteren Dimension in der Tiefe des Raumes. Sony führt als eine mögliche Anwendung dazu auf der Homepage auch die Erzeu­gung eines virtuellen Center-Lautsprechers auf, der bei LED-Screens in der Realität nicht möglich ist. Einstellun­gen hierzu können über die externe Software EASE Focus 3 und FIRmaker 3D von AFMG erfolgen. Die Focus-Software und die zu­gehörigen GLL-Basisdaten können bei Sony und AFMG von der Homepage geladen werden.

Die Vorgehensweise sieht dann so aus, dass der An­wender nicht mehr mit Trial-and-Error versucht, eine günstige Einstellung zu finden, sondern das Ziel vorgibt und der FIRmaker 3D anschließend eine dafür optimale Einstellung findet. Das Ziel wird in Form von Hörerflächen, Pegelverläufen und Sperrflächen definiert. Für die Umset­zung der erforderlichen Filter stehen im SLS-1A pro Weg je ein FIR-Filter mit 1024 Taps zur Verfügung. Bei einer Samplerate von 96kHz entspricht das einer maximalen Filterlänge von 10,67ms. Warum man sich an dieser Stelle für eine Samplerate von 96kHz entschieden hat, ist nicht ganz klar, da bei 48kHz und gleicher Rechenleistung die vierfache Länge möglich gewesen wäre.

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Software und Vernetzung

Der Line-Array Speaker Manager LAS ist die Software von Sony zur Konfiguration der SLS-1A-Arrays. Nach dem Start scannt die Software das Netzwerk und listet alle hier gefundenen SLS-1A auf. Der PC kann dazu entweder direkt mit den Modulen oder über ein Netzwerk mit Switch und Router verbunden werden. Die im Netzwerk gefundenen Module können in Gruppen zusammengefasst und in ihrer Position definiert werden. Unter Beam Settings (Abb. 4) erfolgt anschließend die Einstellung des Richtverhaltens mit den beiden Parametern Steering und Spread.

Spread definiert die Öffnung des Beams und Steering die Ausrichtung. Eine Tabelle im Manual gibt an, welche Winkel in Abhängigkeit der Modulzahl möglich sind. Für ein einzelnes Modul sind das maximal 40° Öffnungswin­kel und ±20° in der Ausrichtung. Als weiterer Parameter wird die untere Grenzfrequenz abhängig von der Modul­zahl angegeben, bis zu der das Beamforming signifikant wirksam ist. Für ein Modul liegt der Wert bei 1,25kHz und verringert sich mit der Anzahl der zu einem Array zusammengefassten Module. Bei zwei Modulen sind es 630Hz und bei vier entsprechend 315Hz.

Unter dem Tab „Sound“ finden sich die Einstellung für Gain und Delay sowie ein grafischer Terzband-EQ, an des­sen Stelle man sich doch eher einen flexibleren grafischen EQ gewünscht hätte, zudem dieser auch in EASE-Focus vorkommt, wo man dann die Parameter direkt hätte über­nehmen können.

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Messwerte

Für die Messungen im Labor wurde eine einzelne SLS-1A von Sony zur Verfügung gestellt. Eine größere Anzahl wäre zwar interessanter gewesen, hätte aber den für einen Test üblichen Aufwand auch sehr deutlich überschritten. Aussagekräftige Messungen waren jedoch trotzdem möglich, nur leider keine Experimente mit dem FIRmaker 3D.

Im ersten Schritt wurde das Modul in der Grundeinstellung mit 0° Spread und 0° Steering gemessen. Abb. 1 zeigt den so ermittelten Frequenzgang, der von ca. 100Hz bis 13,6kHz reicht, wenn man die Eckpunkte von –10dB als Maßstab nimmt. Ohne weitere Unterstüt­zung durch einen Subwoofer ist dieser Frequenzbereich für Sprache sehr gut und für Musik ohne viel Tiefbass hinreichend gut geeignet. Bei größeren Arrays sinkt zu­dem die untere Eckfrequenz und bei Bedarf, beispiels­weise für den Einsatz im Kino, kann auch ein Subwoofer ergänzt werden.

Der zugehörige Phasengang aus Abb. 2 weist mehrere 360°-Phasendrehungen über den gesamten Frequenzbereich auf, die am unteren Ende durch die Hochpassfil­terung und im weiteren Verlauf durch die Beamforming-Filter entstehen. In der Praxis ist vor allem ein vom Beam­forming unabhängiger Frequenzgang wichtig, so dass man nicht bei jeder Änderung des Beams auch die Filter­einstellung anpassen muss. Abb. 8 zeigt dazu vier Fre­quenzgänge, die für die sehr unterschiedlich konfigurierte Beams aus Abb. 9-12 gemessen wurden und trotzdem nur geringe Abweichung aufweisen.

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Abstrahlverhalten: Directivity der SLS-1A

Wie gut und für welchen Frequenzbereich das eingestellte Abstrahlverhalten auch tatsächlich erreicht wird, sollen im nächsten Schritt die Messungen der Isobaren zeigen. Da nur ein Modul für den Test zur Verfügung stand, konnten keine größeren Arrays untersucht werden. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass sich die Ergebnisse über­tragen lassen und größere bzw. längere Arrays vergleich­bare Ergebnisse jedoch mit einer entsprechend tieferen unteren Eckfrequenz erzielen, so wie es die schon er­wähnte Tabelle aus dem Manual auch aufführt.

Für die Messungen wurden folgende Einstellung ge­wählt: Neigungswinkel 0° mit 0° Öffnungswinkel oder mit 40° Öffnungswinkel. 0° und 40° sind für eine einzeln SLS-1A die Extremwerte. Für größere Arrays sind auch Öffnungswinkel von bis zu 90° möglich. Eine weitere Messung wurde für 0° Öffnungswinkel und einen Nei­gungswinkel von 20° durchgeführt. Die 20° sind hier ebenfalls der Maximalwert, größere Arrays ermöglichen auch Neigungswinkel von bis zu 40°. Die vierte und letzte Messung zur Directivity erfolgte für eine Kombination von 10° Neigungswinkel und 20° Öffnungswinkel.

Abb. 9 zeigt Isobaren, wie man sie auch von nicht ge­steuerten Zeilenlautsprechern her kennt, mit einem sich kontinuierlich einschnürenden Beam auf der 0°-Achse und, bedingt durch den Abstand der Einzelquellen, ab ca. 7kHz auftretende seitlich Nebenmaxima bei 90° be­ginnend auf die 0°-Achse zulaufend. Der Verlauf und die Schärfe des Beams hängt von der Länge der Zeile insge­samt ab. Soweit also nichts Ungewöhnliches.

Interessant wird es dann in Abb. 10, wo in der Soft­ware ein Öffnungswinkel von 40° bei unveränderten 0° Neigungswinkel eingestellt wurden. Die gewünschten 40° stellen sich in der Tat präzise ab ca. 1kHz aufwärts ein und bleiben auch bis zur Messgrenze bei 20kHz er­halten. Die Nebenmaxima treten auch hier wieder auf und sind nun entsprechend breiter. Insgesamt ist das Er­gebnis sehr gut. Für Abb. 11 wurde der scharfe 0°-Beam um +20° geneigt. Die Mittelachse des Beams verschiebt sich dabei exakt um diesen Wert, was wiederum bis 20kHz gut eingehalten wird. Das Nebenmaximum tritt jetzt nur noch einseitig auf der abgewandten Seite auf und entspricht in der Breite dem Beam auf der Haupt­achse.

Für die letzte Isobarenmessung in Abb. 12 wurden mit 10° Neigungswinkel und 20° Öffnungswinkel beide Para­meter abweichend von 0° eingestellt. Der so erzeugte Beam entspricht wie erwartet der Einstellung mit den bekannten Effekten der Nebenmaxima die breiter und verstärkt auf der abgewandten Seite auftreten. Alles in allem funktioniert das Beamforming der SLS-1A damit hervorragend. Zu verdanken ist das den guten Vorausset­zungen durch die sehr dicht angeordneten kleinen Treiber und natürlich der gut gelungenen Filterberechnung für das Beamforming.

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Maximalpegel

Das Datenblatt der SLS-1A gibt für ein einzelnes Modul für die Einstellung mit 0° Neigungswinkel und 0° Öff­nungswinkel einen möglichen Maximalpegel von 105dB und als Spitzenwert von 112dB an. Die beiden Werte deuten darauf hin, dass die Messungen dazu mit einem Signal mit 6dB Crest-Faktor erfolgten.

Für eine reproduzierbare und auch unter praktischen Bedingungen vergleichbare Bestimmung des Maximalpegels werden in unseren Testberichten zwei bewährte Messverfahren eingesetzt. Zum einen die Messung mit Sinusburst-Signalen und als zweites die Multitonmessung.

Das erste Messverfahren mit Sinusbursts könnte man als typische Entwickler- oder auch Labormessung bezeichnen. Bei dieser Messung wird der Pegel mit einem Sinussignal für eine Frequenz so lange erhöht, bis ein be­stimmter Verzerrungsanteil, typisch 3 % oder 10 %, er­reicht wird. Der dabei gemessene Schalldruck als Mitte­lungspegel für die Dauer der Messung wird als Messwert festgehalten. Diese Messung wird über einen sinnvoll definierten Frequenzbereich durchgeführt. Das monofre­quente Messsignal ermöglicht via FFT die direkte Auswer­tung der entstehenden harmonischen Verzerrungen (THD).

Abb. 13 zeigt die Sinus-Burst-Messung für die SLS-1A, beginnend bei 100Hz bis 10kHz. Im Mittel werden hier die im Datenblatt genannten 105dB solide erreicht. Erst bei tieferen Frequenzen unter 200Hz fällt die Kurve dann ab, da mit Treibern und einer Box dieser Größe kaum mehr zu erreichen ist.

Für die Praxis relevanter ist die zweite Methode der Maximalpegelmessung mit einem Multitonsignal. Das hierzu verwendete Messsignal besteht aus 60 Sinussignalen mit Zufallsphase und einer Gewichtung nach EIA-426B. Je nach Anwendung können auch andere spektrale Gewich­tungen, z.B. für ein Sprachsignal, genutzt werden. Der Crestfaktor des so synthetisierten Messsignals liegt bei einem praxisgerechten Wert von 4 entsprechend 12dB. Ein großer Vorteil dieser Messmethode ist die Möglich­keit, synchron zu messen und direkt via FFT das Signal­spektrum zu erhalten, woraus sich alle neu hinzuge­kommenen Verzerrungsanteile leicht analysieren lassen. Das betrifft sowohl harmonische Verzerrungen (THD) wie auch alle Intermodulationsverzerrungen (IMD). Die Summe aller Verzerrungen wird dann als Total Distor­tions (TD) bezeichnet. Ebenso wie bei der Sinusburst-Messung kann bei der Multitonmessung auch ein Ver­zerrungswert als Grenzwert definiert werden.

Als zweites Kriterium neben den Verzerrungsanteilen kann mit dieser Messung auch noch die Powercompression ausgewertet werden. Man startet dazu die Messreihe zunächst mit einem geringen Pegel im linearen Arbeitsbereich des Lautsprechers, bei dem noch keine Power­compression auftritt. Von diesem Wert ausgehend wird der Pegel in 1-dB-Schritten erhöht. Irgendwann folgt der Lautsprecher diesen Pegelerhöhungen entweder breitban­dig oder auch nur in einzelnen Frequenzbändern nicht mehr. Als Grenzwerte für die Powercompression wurde definiert, dass die Werte breitbandig nicht mehr als 2dB betragen dürfen und in einzelnen Frequenzbändern nicht mehr als 3dB.

Beide Grenzwerte werden für die SLS-1A nahezu zeit­gleich erreicht, wenn der Pegel um 7dB gegenüber dem Startwert erhöht ist. Die grüne Kurve aus Abb. 14 zeigt den dabei entstehenden Pegelverlust gegenüber dem rechnerisch möglichen Wert, wenn keine Signalkompres­sion auftreten würde. Der 2-dB-Grenzwert wird hier nur lokal bei 1kHz überschritten.

Aus der grünen Kurve aus Abb. 14 wurde die Auswer­tung aus Abb. 15 hergeleitet. Für das Signal nach EIA-426B mit einem Crest-Faktor von 12dB erreicht die SLS-1A bei –21dB (ca. 10 %) Gesamtverzerrungen einen Mittelungs­pegel Leq von 97,8dB und einen Spitzenpegel Lpk von 110dB bezogen jeweils auf 1 m Entfernung im Vollraum. Der 2dB höherer Wert im Datenblatt wird vermutlich mit einem anderen Messsignal oder anderen Grenzwerten er­mittelt worden sein, wodurch kleine Abweichungen ent­stehen können.

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Fazit

Der Einstieg von Sony in die Beamforming-Technik mit dem SLS-1A kann nach umfassenden Messungen als bes­tens gelungen bezeichnet werden. Eine gut durchdachte und konstruierte Hardware, die zudem sehr flexibel ist, wird hier mit einer ebenso gut funktionierenden Filter­technik kombiniert. Die Einstellung des Beamformings kann in drei Varianten erfolgen. Ganz einfach für Stan­dardwerte über DIP-Switches am Lautsprecher selbst, für größere Arrays über die Line-Array Speaker Manager Software LAS oder für komplexe Anwendung mit 3D-Beamforming über EASE Focus von AFMG im Zusammen­spiel mit dem FIRmaker 3D.

Im Messlabor lieferte das SLS-1A Modul sehr gute Er­gebnisse, sowohl die Werte für den Frequenzgang und Maximalpegel betreffend wie auch für das Beamforming. In dessen Zusammenhang bedeuten gute Ergebnisse, dass die eingestellte Werte exakt eingehalten werden und Artefakte nur in geringem Umfang auftreten.

Zusammen mit der Software FIRmaker 3D könnte man bei Sonys SLS-1A durchaus von einer neuen Generation des Beamformings sprechen. Da ist man gespannt, wie sich diese Produktkategorie bei Sony nach diesem Einstieg noch weiter entwickelt. Der Preis für ein Modul SLS-1A liegt bei ca. 1.580 Euro inkl. MwSt., womit man sich – umgerechnet auf die Länge der Zeile – im üblichen Be­reich hochwertiger DSP-Zeilen bewegt.

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