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Aktive Absorber / elektronische Bassfallen

Aktive Absorber sind eine verhältnismässig neue Methode, um bei geringem Platzbedarf die Raumakustik effektiv zu verbessern. Anhand eines Beispiels werden Methode und Einsatz einer elektronischen Bassfalle vorgestellt.

Grundprinzip

Passive Absorber werden in der Raumakustik seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt, um Probleme vornehmlich im Bassbereich zu beheben. Dazu gehören etwa Helmholtzresonatoren oder Plattenresonatoren. Angeregt durch das Schallfeld beginnen diese Akustikelemente mitzuschwingen und damit dem Raum Energie zu entziehen. Passive Absorber benötigen eine realtiv grosse Fläche bzw. grosse Volumina, um eine überzeugende Wirkung zu erzielen.

Eine aktive Variante eines Plattenabsorbers kann man sich nun so vorstellen, dass das Schallfeld permanent mit einem Mikrofon aufgenommen und analysiert wird; die Platte wird dann durch einen zusätzlichen Antrieb in Schwingungen versetzt und bewegt sich dadurch in stärkerem Ausmass, als es bei einem reinen passiven Mitschwingen der Fall wäre.

Ein Vorteil eines aktiven Absorbers ist somit, dass er bei gleicher Fläche um ein Vielfaches effizienter arbeitet. Ausserdem könnte er mit zusätzlichem Einsatz von DSP-Steuerungen speziell abgestimmt werden, so dass er z.B. nur in einem bestimmten Zeitbereich oder unter anderen vorgegebenen Rahmenbedingungen aktiv wird.

Passive Absorber müssen auf die spezifischen "Problemfrequenzen" des Raums abgestimmt werden. Zieht man um, ist der Absorber in der Regel nicht mehr zu gebrauchen. Einen aktiven Absorber hingegen kann man im Prinzip so konstruieren, dass er elektronisch abstimmbar ist. Bei einem Umzug muss er dann lediglich neu eingestellt werden.

Der Grundgedanke hinter aktiven Absorbern wird bereits seit langem erforscht und hat auch in verschiedenen Formen zu konkreten Produkten geführt. Erwähnt sei hier zum Beispiel die von Sennheiser entwickelte Noiseguard-Technologie, die in einigen Kopfhörern integriert ist: Mini-Mikrofone analysieren das Schallfeld und erzeugen ein gegenphasiges Signal, dass dann dem Kopfhörer-Signal beigemischt wird und damit den Aussenlärm kompensiert. Auch in Geräuschvoller Umgebung (z.B. im Flugzeug) kann man dann störungsfrei Musik geniessen. Der Volksmund spricht bei solchen Systemen oftmals auch von "Antischall". (Grafik: Schall und "Antischall", Sennheiser Noiseguard)

Ähnlich arbeiten auch spezielle Schallschutzfenster (Sensoren die das Schallfeld messen und Erreger, welche die Scheiben in gegenpahsige Schwingungen versetzen) oder aktive Schalldämpfer, wie sie etwa in Lüftungssystemen eingesetzt werden. Auch zur Verminderung von Lärm in der Fahrgastzelle eines Autos kommt das Konzept in Frage und nicht zuletzt hat auch das Militär ein vitales Interesse an "Antischall", zum Beispiel, um flüsterleise Kampfhubschrauber zu entwickeln.

Aktive Absorber in der Raumakustik

Im Bereich der Raumakustik, sind im Moment verschiedene Konzepte aktiver Absorber in der Entwicklung. Von einigen Produkten wurden Prototypen vorgestellt. Eine bereits frei verfügbare Variante ist die E-Trap des US-amerikanischen Hersteller Bagend, die seit kurzem auch in Europa lieferbar ist.

Im Prinzip ist die E-Trap ein kleiner Subwoofer mit den vergleichsweise handlichen Abmessungen 46 x 33 x 24 cm. Das System besteht im wesentlichen aus einer Lautsprechermembrane, zwei eingebauten Mikrofonen und einem elektronischen Regelkreis. Typischerweise kommt eine E-Trap zum Einsatz, wenn es darum geht, einzelne störende Frequenzen zu reduzieren, wie sie in akustisch kleinen Räumen (d.h. kleiner als eine Doppel-Sporthalle ;-) ) typischerweise in Form von stehenden Wellen (Raummoden) auftreten.

Mit mehreren Potentiometern an der Gehäuse-Rückseite wird die Bassfalle zuerst auf die zwei Frequenzen eingestellt, an der sie später arbeiten soll. Diese Einstellarbeit ist nicht ganz trivial und sollte einem erfahrenen Akustik- und Messtechnik-Experten überlassen werden, um maximale Wirkung zu erzielen. Einmal kalibriert messen die Mikrofone den anliegenden Schalldruck und erzeugen dann situativ eine gegenläufige Memebranenbewegung, so dass die störende Raummode quasi aufgesogen und damit eliminiert wird.

Fallbeispiel

Ich konnte eine E-Trap während der Optimierung eines Tonstudios einsetzen und stelle nachfolgend die Ergebnisse zur Reduktion einer Raummode dar.

In der folgenden Grafik ist der Amplitudenfrequenzgang eines Subwoofers vor (rote Kurve) und nach (blau) dem Einsatz der E-Trap ersichtlich. Ohne Behandlung ist eine deutliche Überhöhung bei ca. 53 Hz zu sehen. Nach der Integration der Bassfalle wird diese Erhöhung um über 6 dB reduziert. Im ersten Moment mag das als wenig erscheinen. Tatsächlich entspricht eine Reduktion um 6 dB aber einem Rückgang der Energie auf einen Viertel!

Noch interessanter wird es, wenn man eine Auswertung macht, bei der lediglich der Zeitabschnitt ab 100 ms nach dem Direktschall betrachtet wird. Die nächste Grafik zeigt diesen Sachverhalt und hier ist bereits eine Reduktion um 18 dB bei der fraglichen Störfrequenz ersichtlich! (Beachten Sie bitte, dass die Skalierungen der beiden Grafiken - bewusst - nicht identisch sind)

Das heisst, dass eine elektronische Bassfalle nicht einfach eine generelle Pegelreduktion vornimmt (wie dies beispielsweise ein Equalizer oder ein sogenanntes Raumkorrektursystem macht), sondern dass effektiv in den Zeitbereich eingegriffen wird (je mehr Zeit vergeht, desto grösser die Dämpfung). Die Bassfalle tut also genau das, was man von ihr erwartet: Sie reduziert die Energie der stehenden Welle im Raum, ohne aber den Direktschall zu beeinträchtigen. Insofern verhält sie sich vergleichbar einem Platten- oder einem Helmholtz-Resonator. Aber mit den zwei entscheidenden Vorteilen, dass sie viel weniger Platz beansprucht, und dass man sie bei einem Wechsel des Raum wiederverwenden kann.

Auch das Wasserfalldiagramm, welches das zeitliche Nachklingen der einzelnen Frequenzen zeigt, demonstriert eindrücklich die Wirkungsweise der E-Trap (links ohne, rechts mit). Die rote Linie zeigt den zeitlichen Abfall bei 53 Hz, der mit aktiver Basfalle sehr viel steiler verläuft: Während ohne Bassfalle die stehende Welle auch noch am Ende des dargestellten Zeitbereichs (eine Sekunde) sehr gut zu sehen ist, verschwindet sie mit Bassfalle schon nach 0,4 Sekunden im Grundgeräusch des Raums. Die Folge ist eine deutlich präzisere Abbildung im Bassbereich. Das vorher störende Nachklingen und Wummern ist verschwunden.

Fazit

Ein aktiver Absorber ermöglicht bei geringem Platzbedarf einen gezielten Eingriff in die Raumakustik. Die vorgestellte elektronische Bassfalle ist in kleineren Räumen (Wohnräume, Heimkinos, Tonstudios) ideal, wenn einzelne stehende Wellen wirkungsvoll bedämpft werden sollen und Wert auf optische Unauffälligkeit gelegt wird und/oder wenn "traditionelle", passive Absorbersysteme aus unterschiedlichen Gründen nicht in Frage kommen. Die Einstellarbeiten sollte man einem Fachmann überlassen.

Nachtrag und Fallbeispiel Januar 2011

Die obigen Abschnitte stammen aus dem Jahr 2009. Das Fallbeispiel bezieht sich auf die erste Integration eines aktiven Absorbers, die ich in einem Schweizer Tonstudio im selben Jahr vorgenommen habe. In der Zwischenzeit habe ich solche elektronische Bassfallen in mehreren Projekten sehr erfolgreich eingesetzt.

Als unabhängiger Berater, ist es meine Aufgabe, meinen Kunden zu garantieren, dass Ihr Budget möglichst effektiv, akustisch gewinnbringend eingesetzt wird. In vielen Fällen hat sich gezeigt, dass in Tonstudios, HiFi-/Highend-Hörräumen oder Heimkinos die beschriebene elektronische Bassfalle oftmals alternativlos ist, um störende Raumresonanzen wirkungsvoll zu bedämpfen. Dies gilt vorallem dann, wenn der Platz beschränkt ist oder grössere Einbauten von passiven Absorbern ausgeschlossen sind.

Ein Beispiel ist der exzellente Hörraum von Titian Rai. Als häufiger Besucher von klassischen Konzerten hat er einen sehr hohen Anspruch an seine High-End-Anlage. Ihm ist auch bewusst, dass der Raum in der Übertragungskette eine wichtige und oft unterschätzte Rolle spielt. In den vergangenen Jahren hat er bereits erhebliche Anstrengungen zur Optimierung seines Hörraums unternommen und dabei auch einen professionellen Akustiker beigezogen.

Eine Bestandesaufnahme durch mich bestätigt den Höreindruck, einer sehr guten, in sich stimmigen akustischen Umgebung. Das einzig wirkliche Problem scheint eine sehr tiefe Raummode bei ca. 30 Hz zu sein (s. Wasserfalldiagramm). Nur wenige Instrumente sind in der Lage solch tiefe Töne zu erzeugen und entsprechend ist auf Tonträgern unterhalb von 40 Hz auch nur selten nennenswerter Inhalt vorhanden, der zudem aus "energietechnischen" Gründen meistens noch mit einem Filter stark abgesenkt wird.

Als Perfektionist will sich Titian Rai damit aber nicht zufrieden geben. Er weiss auch, dass der lange Nachklang dazu tendiert höher liegende Frequenzbereiche zuzudecken (psychoakustische Simultanverdeckung).

Eine Bedämpfung der tiefen Mode mit konventionellen Mitteln ist nahezu ausgeschlossen. Eine überschlagmässige Berechnung ergibt, dass man mit der Konstruktion von Plattenresonatoren etwa eine Fläche von 40 Quadratmeteren verbauen müsste, um das Problem einigermassen in den Griff zu kriegen. Mit Helmholtzresonatoren wäre ein Volumen von insgesamt etwa 7'000 Litern erforderlich.

Mit einer E-Trap konnte das Problem bei minimalstem Platzbedarf äusserst effektiv gelöst werden, wie ein hochaufgelöster Detail-Ausschnitt aus dem Wasserfalldiagramm eindrücklich zeigt: ohne E-Trap (links) ist noch einmal das lange Nachklingen bei 30 Hz ersichtlich. Mit E-Trap (rechts) klingt diese Resonanz nun sehr viel schneller ab. (Hinweis: Zur besseren Darstellung wurden bei den beiden unteren Bildern Grafikskalierung, Auflösung, und Fensterung gegenüber dem oben dargestellten Wasserfalldiagramm geändert)

Wichtig dabei: der Direktschall wird gar nicht und die ersten Millisekunden des Nachklangs werden kaum bedämpft. Dieser zeitliche Verlauf ist bewusst so gewählt. Würden die ersten Millisekunden des Signals bereits zu stark bedämpft (wie dies z.B. bei der Verwendung eines Equalizers der Fall wäre), würde die Energie im Tiefbassbereich völlig einbrechen, da diese praktisch nur von dieser Raumresonanz getragen wird. Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil einer elektronischen Lösung: die kontrollierte Steuerung des zeitlichen Verlaufs ist mit passiven Resonatoren faktisch kaum zu bewerkstelligen (da keine mathematisch hinreichend genaue Modellierung möglich ist, müsste man Prototypen bauen und diese iterativ optimieren).

Während ich für die Messungen und die bunten Bildchen verantwortlich bin, überlasse ich die Beschreibung des Höreindrucks gleich dem Besitzer des High-End-Hörraums:

"Vor dem Besuch von Markus Zehner habe ich schon viel in die Optimierung des Hörraums investiert. Ich wusste vom 30-Hz-Problem. Der Klang war aber insgesamt bereits sehr gut, die Bässe waren genau, schnell, präzise. Eigentlich hätte ich nicht gedacht, dass ein weiterer Besuch eines Akustikers noch etwas bringen würde. Ich wollte aber sicher sein und habe Markus Zehner beauftragt, alles nochmals zu überprüfen.

Es ist vielleicht Geschmacksache, ob einem ein trocknerer Klang besser gefällt. Für mich war es aufgrund der vielen Hörerfahrungen in Konzertsälen aber klar, wofür ich mich entscheiden musste. Bis jetzt sind alle meine Gäste vom heutigen Klang auch (oder vor allem) Dank der Akustik begeistert."

FAQ (Stand 25. Januar 2011)

Im Laufe der letzten Monate wurden mir immer wieder konkrete Fragen zu aktiven Absorbern gestellt. Ich versuche diese in der Folge zu beantworten. Haben Sie auch noch eine Frage? Dann schreiben Sie mir: info@zehner.ch

Beachten sie bitte auch die folgende begriffliche Trennung: Wenn ich von "AA" (= aktive Absorber") spreche, meine ich damit das allgemeine Konzept. Ist die Rede von "E-Trap", ist damit ein konkretes Produkt des Herstellers "BagEnd" gemeint. Das Produkt "E-Trap" ist eine Untermenge von "AA".

Wirkt ein AA nur an einer bestimmten Position im Raum?
Nein, die Verbesserungen wirken sich im ganzen Raum aus?

Kann man mit einem AA auch Frequenzlöcher auffüllen?
Ja.

Wo muss der AA platziert werden?
Grundsätzlich in einem Druckmaximum. besonders geeignet sind Raumkanten oder Raumecken. Allerdings hängt die bestmögliche Position immer vom Einzelfall ab und sollte deshalb per Messung bestimmt werden.

Kann ich die E-Trap einfach bestellen und selber installieren?
Eine E-Trap muss sehr präzise eingemessen werden, damit sie auch wirklich funktioniert. Das fängt bei der Bestimmung der optimalen Position an und hört bei der sorgfältigen Abstimmung der Einstellparameter auf. Möglich ist das nur mit modernem Messequipment, mit dem man detaillierte Analysen der Zeitstruktur vornehmen kann. Es genügt also z.B. nicht, einfach nur den Amplitudenfrequenzgang zu betrachten und daraufhin zu optimieren. Viel wichtiger ist der genaue zeitliche Verlauf der Raummode. Ausserdem sind bei der Definition des Zeitverlaufs auch psychoakustische Erkenntnisse zu berücksichtigen.

Wie viele E-Traps braucht es in meinem Raum?
Mit einer E-Trap lassen sich maximal zwei Raummoden bearbeiten. Mehr würde keinen Sinn machen, weil sich dann das System gewissermassen selber entgegenwirken würde. Durch die Bedämpfung der zwei auffälligsten Resonanzen eines Raums ist in der Regel schon eine erhebliche Verbesserung erzielbar. Ab einer gewissen Raumgrösse ist allenfalls der Einsatz von zwei E-Traps nötig. Bei den bisherigen Einmessungen, die ich vorgenommen habe, war das bei Raumvolumina ab ca. 150 Kubikmeter nötig.

Ich habe mehrere leistungsstrake Subwoofer in meiner Anlage und kann mir nicht vorstellen, dass die kleine Membranenfläche der E-Trap dagegen ankommt.
Das muss sie auch gar nicht. Es geht ja nicht darum, gegen die Subwoofer anzukämpfen, sondern gegen die Raumeinflüsse. Ich habe bereits E-Traps in Setups mit bis zu 8(!) Subwoofern äusserst erfolgreich eingesetzt. Eine E-Trap hat dabei imer genügt (ausgenommen in sehr grossen Räumen; s.o.)

Wenn ich mir vorstelle, dass die E-Trap ja eigentlich ein kleiner Subwoofer ist, dann wird damit doch auch wieder Schall erzeugt. Entstehen dadurch nicht wieder neue Probleme?
Nein; da die E-Trap keinen Schall erzeugt.

Kann ich stehende Wellen nicht auch mit einem Equalizer bekämpfen?
Nein, aus verschiedenen Gründen nicht. Der wichtigste: Ein Equalizer kann Direkt- und "Diffusschall" nicht getrennt bearbeiten. Er senkt einfach beides um einen identischen Betrag ab, ohne den zeitlichen Verlauf des Nachklangs zu vermindern. Ein AA wirkt nur auf die Raumresonanz und lässt den Direktschall unangetastet.

Wie viel kostet die im Artikel beschriebene BagEnd E-Trap?
Da ich keine E-Traps verkaufe, kann ich dazu auch keine Angaben machen. Wenden Sie sich an die weiter unten aufgeführten Importeure.

Gibt es Alternativen zu AA?
Grundsätzlich kann man auch passive Resonatoren (Plattenschwinger, Helmholtzresonatoren) verwenden. Um aber z.B. die Performance einer E-Trap zu erreichen, sind riesige Flächen (mehrere Dutzend Quadratmeter) oder sehr grosse Volumina (mehrere Tausend Liter) erforderlich (s.a. Fallbeispiel oben). Deshalb kommen diese Massnahmen oft aus praktischen Überlegungen nicht in Frage.

Gibt es Alternativen zur E-Trap?
Meines Wissens gibt es bis heute keinen anderen kommerziell verfügbaren aktiven Absorber. Verschiedene Produkte befinden sich in der Entwicklung oder im Prototyp-Stadium. Eine konkrete Ankündigung eines anderen Produktes ist mir derzeit nicht bekannt. Sobald mir diesbezüglich etwas zu Ohren kommt, werde ich hier einen Nachtrag einfügen.

Weiterführende Informationen und Kontakte

Informationsseite des Herstellers: Bagend E-Trap

Website des Schweizer Importeurs: Show Supply
Exklusiv werden hier auch einige spezielle Modifikationen und Verbesserungen am Netzteil und der Steuerelektronik vorgenommen. Entsprechend ist dieses Modell nicht direkt mit der US-Variante vergleichbar. Showsupply nimmt nötigenfalls auch Modifikationen vor, um die E-Trap auf andere Frequenzbereiche abzustimmen, als auf der Hersteller-Website angegeben.

Website des Deutschen Importeurs: Hörzone, München

Fragen und Kommentare

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