Interview mit R&D-Ingenieur Henry Dahmen

R&D: Subwoofer designen

Subwoofer sind unauffällig: Irgendwo in Bühnennähe versteckt tun sie ihren Dienst, um den Sound nach unten abzurunden. „Für den Entwickler auch nur eine Routineaufgabe?“, fragten wir den R&D-Ingenieur Henry Dahmen.

Nexo Subwoofer
„Große“ und „kleine“ Hersteller – Henry Dahmen hat für eine Reihe erfolgreicher Beschallungshersteller Entwicklungsarbeit geleistet. Was sind die treibenden Kräfte, die der angestrebten Tieftonwiedergabe ihre endgültige Form verleihen? (Bild: Detlef Hoepfner)

 

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Henry, die Betrachtung des Low Ends – liegt sie in Zeiten ausgetüftelter Hochtöner, Mittelton-Wave-Guides und Line-Arrays eher am Anfang oder Ende eines Entwicklungsprozesses?

Henry Dahmen: Beides kommt vor. Manchmal gibt es speziell aufeinander abgestimmte Komponenten (Sub, Top) als Einzelpaket. Diese aber meist eher für qualitativ hochwertige, kleinere und Nischenanwendungen, nicht die große Konzertbeschallung. Dann gibt es Serien, in denen alles genauestens aufeinander abgestimmt ist. Serien helfen dem Anwender, schlechte Ergebnisse zu vermeiden, da hier eine gewisse Gesamtfunktionalität erwartet werden kann. Es kommt aber auch vor, dass Produkte unabhängig voneinander entstehen. Dies sollte selbst im Vergleich zu einer speziell abgestimmten Serie kein Problem darstellen, solange die Produkte sauber durchentwickelt sind. Meiner Entwicklungsphilosophie nach müssen bestimmte Produktgruppen bestimmte Frequenzbereiche mit einem definierten Verhalten sauber abdecken. Sie sind dann mit der entsprechenden Equalisierung und Filterung im Übernahmebereich eigentlich immer kombinierbar und kommen mit allen Signalen zurecht.

Ausgefuchst wird es natürlich, wenn es ans Beamsteering im großen Stil geht (Arenen zum Beispiel) und dementsprechend auch der Tiefton stärker gerichtet werden soll. Cardioide Subwoofer unterscheiden sich dann konstruktiv teilweise schon sehr deutlich von den üblichen Designs. Bei der Entwicklung solcher Systeme steht dann auch das Low End inklusive Konzeption ganz am Anfang des Prozesses.

Henry Dahmen
Henry Dahmen entwickelt seit über 20 Jahren professionelle Beschallungstechnik (Bild: Detlef Hoepfner)

Gibt es das „ultimative“ technische Konzept, um eine Tieftonwiedergabe in der Beschallung optimal zu realisieren?

Henry Dahmen: Theoretische „ultimative“ Konzepte, was Soundqualität und Performance angeht, gibt es. Wobei hier bereits ein entweder oder gilt: Die Anforderungen für Lautstärke und Qualität arbeiten letztendlich immer gegeneinander, wenn man die Größe mit einbezieht. Man kann so etwas auch bauen, aber es taugt nicht für die Beschallung als Geschäft. Man benötigt einen Schallwandler, der möglichst die gleiche Strahlungsimpedanz aufweist wie Luft (perfekte Ankopplung) – was nur durch extrem geringe bewegte Massen möglich ist – und große abstrahlende Flächen: unpraktisch! Heutige Lautsprecher sind daher im wahrsten Sinne des Wortes immer noch „wackelnde Backsteine“. Aufladung über riesengroße Hörner wäre auch ein Schritt hin zum besseren Tiefton. Das Problem wie überall ist, gleichzeitig auch die Praxistauglichkeit herzustellen. Die begrenzenden Elemente in der Beschallung sind Größe, Gewicht, Kosten (Anschaffung, Lager, Handling) und die Performance in Relation zu diesen drei Faktoren. Aus diesem Grund sehen wir all die Systeme, die wir so gut kennen. Sie sind der Kompromiss, der funktioniert und Produkte, die stark davon abweichen, verbietet. Wer die Nachteile dieses Kompromisses verringern kann, hat die Nase vorn.

Eine Entwicklung, die langsam den Markt erreicht, ist die Wiederbelebung der guten, alten Motorbässe. Jetzt allerdings elektromagnetisch direkt angetrieben und über Rechenmodelle gesteuert, so dass sich der Bereich unter 100 Hz schon fast komplett abdecken lässt. Der Vorteil dieser Systeme liegt wieder in der oben genannten Relation: Sie bieten bei gleicher Größe und Gewicht mehr als die vierfache Performance. Das rechnet sich, selbst wenn die Kiste das Vierfache kostet, da die laufenden Kosten geringer sind. Allerdings hat die Technik noch ein paar Anfälligkeiten, die Entwicklung ist schwierig (Gehäuse, extreme Schalldrücke, Vibrationen) und das akustische Ergebnis kann besser sein als konventionelle Systeme, aber nicht notwendigerweise. Wie wir alle wissen, steht im großen Geschäft die Soundqualität meist nicht ganz oben auf der Dringlichkeitsliste. Da aber diese Konstruktionen die Kosten senken und die Entwicklung weitergeht, denke ich, dass wir in Zukunft mehr und mehr dieser Systeme sehen werden.

 

Die technische Weiterentwicklung in der Beschallungstechnik ist für den Anwender – von diesen schon vom Begriff her etwas spektakuläreren Motorbässen abgesehen – vor allem im Mittel-/Hochtonbereich, in der Mechanik oder auch Software plakativ sichtbar. Welche Technologien sind außerdem besonders dem Tieftonbereich zugute gekommen?

Henry Dahmen: Technologisch hat sicher der gerichtete Tiefton einges erreicht. Er hilft, Grenzwerte für Schallimmissionen einzuhalten und führt akustisch zu besseren Ergebnissen, da der Anteil des Direktschalls beim Zuhörer steigt. Gerade in Hallen ein nicht zu  vernachlässigender Vorteil. Bei gleichem Pegel beim Hörer kann der in der Halle herumschwirrende Diffusschallpegel niedriger gehalten werden. Das führt zu einem deutlich entspannteren und besseren Hörerlebnis.

Ein zweiter, vielleicht überraschender Aspekt ist die Messtechnik. Vor 15 Jahren war es noch schwierig, vor Ort mal eben etwas zu messen. Equipment war teuer, kompliziert und teilweise unhandlich, und auch das Verständnis der Vorgänge nicht so ausgeprägt. Heute ist es normal, auf der Veranstaltung die Anlage einzumessen. Das war früher nicht so. Gerade der Übergang der Subwoofer zum Rest kann ziemliche Probleme erzeugen, wenn die Phase nicht stimmt oder die Energieverteilung generell nicht passt. Die Messtechnik hilft hier ganz enorm, Probleme zu vermeiden. Oft sind Lautsprecher auch so verteilt, dass man gar keine saubere Phasenreferenz finden kann. Dann helfen steile Filter mit 24 dB/Oktave oder sogar 48 dB/Oktave, die Bereiche klar voneinander zu trennen, und so das Schlimmste zu vermeiden. Vor 15 Jahren waren solche Filter auch nicht immer verfügbar. Heute gehört das alles zur Standardausrüstung und hat bei richtiger Anwendung die Tieftonwiedergabe deutlich verbessert.

Dazu kommen noch Simulationen von z. B. Endfire-Arrays oder großen cardioiden Subwoofer-Anordnungen, die schon vor dem Aufbau gute Anhaltspunkte geben, wie das beste Ergebnis zu erzielen ist.

 

Was sind die kostenintensiven Faktoren im Tieftonbereich, und kann ich als Anwender einfach entdecken, wo hier zu Lasten der Qualität gespart wurde?

Henry Dahmen: Wir haben insgesamt vier Kostenfaktoren: 1. Amping/Controller, 2. Gehäuse, 3. Chassis und 4. Entwicklung. Das Amping ist schnell abgehakt. Grundsätzlich gilt: Viel hilft viel! Das ist nirgendwo so wahr wie im Tiefton, da dort ca. 90 % der insgesamt in der Beschallung eingesetzten Energie landen. Ist das Amping also entweder etwas schwachbrüstig oder unterdimensioniert, so kann man einfach nicht so viel Performance erwarten. Grob gesagt: Je mehr Strom eine Endstufe liefern kann, umso besser. Und damit heißt gut meist auch teuer – spätestens, wenn man noch die Betriebssicherheit mit einrechnet.

Beim Gehäuse ist es auf den ersten Blick auch einfach. Je größer, aufwändiger und schwerer es ist, umso teurer dürfte es für den Hersteller sein. Eine Schlussfolgerung zur Soundqualität/Performance zu machen, ist aber schwierig. „Teurer“ muss längst nicht gleich „besser“ bedeuten. Bei den Chassis kann man noch am ehesten Schlussfolgerungen ziehen. Die Standardmodelle der üblichen Verdächtigen sind fast immer eine gute Wahl. Günstige Chassis können durchaus hervorragenden Sound (oder sogar besseren) liefern, es hapert dann aber evtl. an der Zuverlässigkeit bzw. am maximalen Pegel. Das Zusammenspiel aus wirklich guten Chassis und einer dazu sinnvoll passenden Gehäusekonstruktion ist vom Anwender meiner Meinung nach aber kaum im Detail einschätzbar.

Beyma 18LEX1600Nd_B
An modernen Chassis wie dem Beyma 18LEX1600Nd optimieren die Ingenieure eine Fülle an mechanischen Details, an diesem 18” vermeidet eine besondere interne Kühlung durch Power-Compression bedingte Leistungsverluste (Bild: Beyma)

 

Hier zahlt es sich aus, die Produktpaletten der Hersteller aus der Anwendung zu kennen. Oft sind außergewöhnlich gute Produkte eher Glücksgriffe als geplanter Erfolg. Wenn ein Hersteller also ein gleichbleibend hohes Qualitätsniveau im Tiefton erreicht, so wird man bei neuen Produkten vermutlich wenig falsch machen. Bei einem Hersteller, der auch Subwoofer im Programm hat, die bekanntermaßen Probleme zeigen, oder noch schlimmeres, wäre eher Vorsicht angebracht. Egal wie gut z. B. ein neues Modell nach Marketingaussagen und Technischen Daten aussieht. Zu guter Letzt sollte man dann nicht die Konstruktion und verwendeten Komponenten mit dem Preis gegenrechnen, sondern das Ergebnis: Was nützt einem eine tolle, teure Konstruktion (womöglich mit eigenem Amping und Entzerrung), wenn das Ergebnis trotzdem nicht stimmt? Denn hier kommt Punkt 4, die Entwicklung: Entscheidend ist immer noch, wie alle Komponenten eines Systems zusammenarbeiten und was daraus gemacht wurde. Wie aufwändig war die Entwicklung und was hat man sich dabei gedacht? Ein wirklich gutes System ist erheblich mehr als die Summe seiner Einzelteile und kann Maßstäbe für viele Jahre setzen. Leider werden Systeme zu oft einfach nach Aussehen und Markennamen beurteilt. Das Auge und Gefühle beeinflussen das Hören viel mehr als die meisten sich vorstellen können.


 

»Die Anforderungen für Lautstärke und Qualität arbeiten immer gegeneinander, wenn man die Größe mit einbezieht. Man kann so etwas auch bauen. Aber es taugt nicht für die Beschallung als Geschäft.«

Henry Dahmen | entwickelt seit über 20 Jahren Beschallungstechnik


 

Und schon ein valides Vergleichshören im Mittel-/Hochtonbereich gestaltet sich oft schwierig. Welche praktischen Tricks und Tipps nutzt du selbst, um Konzepte und Produkte im Tieftonbereich realitätsnah zu vergleichen?

Henry Dahmen: Vorweg, ich mache normalerweise keine „realitätsnahen Vergleiche“, da diese bei weitem nicht tief genug gehen, um alles zu erfahren. Als Entwickler gehe ich anders vor und kann auch nur diese Herangehensweise schildern: Das Chassis ist mit Abstand das Wichtigste, dann kommt die Gehäusekonstruktion, welche die Chassis so sinnvoll wie möglich unterstützen muss. Vergleiche stelle ich an, indem ich mir alle Parameter des Chassis anschaue (und nachmesse), das verwendete Sytemamping/Entzerrung und die Gehäusekonstruktion und dessen Resonanzen. Anhand der physikalischen Daten simuliere ich immer die Systeme und schaue mir Güten, Schalldruck (Auslenkung) und besonders auch Laufzeitverhalten an. Dieses Laufzeitverhalten wird stark von der akustischen Dämpfung bestimmt, die das Gehäuse auf die Chassis ausübt. Üblich sind leider häufig Chassis mit sehr niedrigen Qts-Werten der Gesamtgüte (hoher

Kraftfaktor BL und daher starke elektrische Dämpfung), die in großen Gehäusen stecken (mehr Volumen bedeutet mehr Pegel am unteren Ende), und in denen sie akustisch unterbedämpft sind. Dies führt fast immer zu diversen Problemen klanglicher und elektrischer Art, die von Ursache und Wirkung her zu umfangreich sind, um hier darauf einzugehen. Aus der Erfahrung, die ich in den letzten 20 Jahren im Chassis- und Systemdesign gesammelt habe, ziehe ich weitere Rückschlüsse auf das Verhalten und Soundpotenzial der Konstruktion. Dazu kommen noch diverse Tests, die mit einem Chassis ohne Gehäuse durchgeführt werden.

Dies hat sich als verlässlicher erwiesen als ein Hörtest – ich betrachte erst einmal die physikalischen Aspekte. Wenn es dort grobe Schnitzer gibt, so hat das System ein Problem, das nur noch kaschiert, aber nicht mehr behoben werden kann. Ein Hörtest ist immer nur eine Momentaufnahme und gerade im Tiefton hängt das Ergebnis sehr stark von der Testumgebung ab. Selbst in großen, geschlossenen Räumen mache ich keinerlei Hörvergleiche, da das Ergebnis eines AB-Tests schon fast willkürlich zu nennen ist, und sich bei anderer Aufstellung oder in einem anderen Raum komplett ins Gegenteil verkehren kann. Ebenso kann ein Soundunterschied schlicht am „Systemtuning“ liegen. Aber mich interessiert auch das Potenzial an sich ohne das Systemtuning, also was die Konstruktion generell zu leisten vermag. Denn das setzt mir die Grenzen für die Performance, die ich dem Produkt im alltäglichen Betrieb zumuten kann. Und nur diese abgespeckte Variante ist in einem üblichen Vergleich sichtbar.

Powersoft M-Force
Motorantriebe wie der neue Powersoft M-Force bieten extreme Auslenkungen und Belastbarkeit (Bild: Powersoft)

Was ich bei einer Produktevaluation dann doch realitätsnah anschaue sind besonders die Maximalperformance und Betriebssicherheit. Ich nutze bestimme Tieftonsignale, mit denen ich das System nach einer gewissen Einspielzeit voll ausfahre und auch so weit wie möglich überfahre. Erst im Grenzbereich zeigt sich, ob noch (Sicherheits-)Reserven vorhanden sind, ob sich das System zu jedem Zeitpunkt kontrolliert verhält oder Instabilitäten auftreten. Instabilitäten sind extrem gefährlich, da das System plötzlich und ohne große Warnung in einen Zustand übergehen kann, in dem Zerstörung droht. Es ist hier wie beim Auto: Ein Fahrzeug, das nur langsam über- oder untersteuert, lässt sich im Grenzbereich noch gut kontrollieren und gut am Limit bewegen. Setzt eines von beiden schlagartig und heftig ein, so muss man mehr Abstand vom Grenzbereich halten, sonst läuft man Gefahr, ohne Vorwarnung von der Strecke zu fliegen. Ist der Grenzbereich breit und gutmütig, so lässt sich aus einem System mehr herausholen. Dieses Verhalten hängt sehr stark von der Konstruktion des Chassis ab (Voraussetzung), dem passenden Gehäuse und genügend Verstärkerleistung.

Erwähnen möchte hier auch noch die seit vielen Jahren geschätzten Testberichte in PRODUCTION PARTNER von Prof. Dr.-Ing. Anselm Goertz. Diese Daten sind, da sie alle aus der gleichen Quelle stammen und dieselben Messverfahren nutzen, perfekt vergleichbar. Für viele Produkte habe ich auch nur diese Testberichte zur Verfügung. Sie sind eine unschätzbare Hilfe, andere Systeme zu analysieren und Vergleiche anzustellen.

 

Welchen Einfluss hat man als Entwickler, den „Sound“ eines Subwoofers wirklich zu beeinflussen?

Henry Dahmen: Beinahe so viel wie man möchte! Der Sound und das Verhalten eines Subwoofers sind, trotz der begrenzten Bandbreite, beinahe so komplex wie ein Topteil. Und im Zusammenspiel mit Topteilen erst recht. Dann zeigt sich, ob Subwoofer und Topteil stimmig zusammenspielen und keine Details verloren gehen. Man braucht sich nur die beteiligten Parameter anzusehen; zu viele, um sie hier aufzulisten. Einige davon sind Gehäusevolumen, Abstimmfrequenz, Gehäusetyp (Bassreflex, Bandpass, horngeladen usw.). Dann beim Chassis die Größe, Hub/Linearität, Resonanzfrequenz, elastische Parameter der Aufhängung (Äquivalentvolumen), Güten, bewegte Masse usw. Und alles beeinflusst sich gegenseitig.

Man kann rumpelnde, dröhnende, matschige, kraftlose, unausgewogene Subwoofer bauen, und noch viele andere. Guter Sound ist die Abwesenheit von alldem – von allem, was dort nicht hingehört. Mein Ziel ist es, den Hörer das Lautsprechersystem vergessen zu lassen. Da heute praktisch überall Controller verfügbar sind, macht es keinen Sinn mehr Subwoofer zu entwickeln, die unentzerrt gerade Frequenzgänge haben. Das ist sogar Verschwendung von Verstärkerleistung. Besser ist es, auf niedrige Gruppenlaufzeiten zu achten (Präzision, Ausgewogenheit) und eine gute Bedämpfung des Systems auf der akustischen Seite zu erreichen, was den Verstärker dann deutlich entlastet. Vereinfacht ausgedrückt: Wo und wie stark speichert das System mechanische Energie, und wie kann ich das verhindern, ohne zu viel Perfomance zu verlieren?


»Grundsätzlich gilt: Viel hilft viel! Das ist nirgendwo so wahr wie im Tiefton, da dort ca. 90% der insgesamt eingesetzten Energie landen.«

Henry Dahmen | zur Bedeutung des Ampings


Eine stärkere akustische Bedämpfung erreicht genau das. Ich spreche hier nicht von Dämmmaterial, sondern von der Gegenkopplung, die die Luft auf das Chassis ausübt. Sie reduziert zwar den Pegel geringfügig, führt aber dagegen zu sehr kontrolliertem und präzisem Verhalten. Das wiederum nimmt der Hörer als energetischer und kraftvoller wahr, selbst bei geringfügig niedrigerer Lautstärke (erst nach der entsprechenden Entzerrung natürlich). Heraus kommt eine Subwooferkonstruktion, die keinen geraden Frequenzgang mehr hat, und mit einem Controller entsprechend entzerrt werden kann und muss. An dieser Stelle lässt sich ihr beinahe jeder Sound aufprägen, der gewünscht ist.

Ich befürworte aber immer eine möglichst gerade Freifeldentzerrung und keinen bestimmten „Sound“. Nur dann ist ein Subwoofer neutral und kommt auch mit den verschiedensten Musiksignalen klar. Am FOH macht sich das auch positiv bemerkbar, da sich so schneller und einfacher die gewünschten Ergebnisse erzielen lassen.

 

Zuletzt: Mit welchem Audiomaterial arbeitest du selbst am liebsten während der Entwicklung und dem Vergleich von Bass-Konzepten?

Henry Dahmen: Wenn ich Tieftonsysteme entwickle, dann habe ich keine bestimmte Soundvorstellung, sondern eher eine bestimmte Funktionsweise. Diese orientiert sich immer am Ideal der präzisen und unverfälschten Reproduktion. Infolgedessen nutze ich kaum Audiomaterial zum Hören (Klang), sondern fast ausschließlich zur Suche nach Schwachpunkten im Verhalten: Wo stimmt etwas nicht? Das bedeutet aber auch, dass ich immer versuche, das zu testende System zu zerstören! Wenn man nicht so weit geht, kann man keine wirklich vollständige Beurteilung durchführen.

Die reine Chassis-Evaluierung ist bereits der wichtigste Punkt, und zwar erst einmal ohne Gehäuse. Hier werden alle  verfügbaren Messmethoden und insbesondere auch Sinussignale hoher Leistung genutzt. So lässt sich das mechanische Verhalten eines Chassis, und dessen Grenze, sehr gut beurteilen. Asymmetrien in der Aufhängung, DC Offset, Partialschwingungen, Verhalten und Länge der Aufhängung im Verhältnis zur Länge des Antriebs sind einige davon.


»Das Auge und Gefühle beeinflussen das Hören viel mehr als die meisten sich vorstellen können.«

Henry Dahmen | ist skeptisch bei Praxisvergleichen


Im Gesamtsystem nutze ich danach verschiedene Signale. Sinus kommt nicht mehr zu Einsatz. Dafür Musiktracks mit bestimmten Bassimpulsen, die dem System mechanisch und dem Amping elektrisch alles abverlangen. Auch ein Topteil hat für mich ein Bass-Konzept, wenn es bis unter 100 Hz arbeitet, ganz zu schweigen von Fullrange-Topteilen. Es durchläuft genau die gleichen Tests wie ein Subwoofer und ich nutze auch dasselbe Audiomaterial dafür. Da kann es schon mal vorkommen, dass eine Membran durch Stauchung bricht und die Papiermischung z. B. noch mal mit Kevlarfasern verstärkt werden muss. In Tests nach den einschlägigen Normen würden diese Probleme nie auftreten.

Harte Impulse von allen Schlagzeugtypen sind unerlässlich. Dafür habe ich viele direkt mikrofonierte und unbehandelte Instrumentaltracks. Für den Tiefgang und die Präzision im gesamten Bassbereich ist zum Beispiel The Trentemøller Chronicles eine meiner wichtigsten Scheiben. Ich nutze sie seit vielen Jahren, dort steckt sehr viel Detail und Energie im Tiefton. Außerdem sind Soundqualität und Produktion auf höchstem Niveau. Man hört sehr schnell, wenn etwas nicht stimmt. Ein ideales Werkzeug, um Maximalperformance zu beurteilen und die Gleichmäßigkeit und Ausgewogenheit des gesamten Tieftonbereichs.

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