Ortbarkeit von tiefen Frequenzen, Eigenschaften der Schallausbreitung

Ab und zu ließt man von der Behauptung, Subwoofer wären in einem Heimkinosetup in ihrer Position lokalisierbar.
In diesem Thread will ich darstellen, weshalb es zu einer Ortung kommen kann und was die Ursachen dafür sind.



Ortbarkeit durch zu geringe Entfernung

Bei der kugelförmigen Abstrahlung von Schallwellen, nimmt der Schalldruckpegel um 6dB je Entfernungsverdoppelung ab. Wenn man also in 1m Entfernung 100dB hat, dann sind es in 2m Entfernung bereits nur noch 94dB.
Hingegen hat man beim Sprung von 10m auf 11m nur noch eine Differenz von deutlich weniger als 1dB.

Bei unserem Gehör ist es so, dass wir allein durch unterschiedliche Pegel eine Schallquelle lokalisieren können. Nehmen wir an, der Subwoofer befindet sich 0,5m neben unserem rechten Ohr, dann beträgt der Abstand zum linken Ohr ca. 20cm, was zwar keine Verdoppelung ist, aber immerhin bedeutet dies einen Pegelunterschied von fast 3dB.
Damit ist eindeutig hörbar, dass der Subwoofer rechts ist.
Wenn hingegen der Subwoofer 10m vom Ohr entfernt steht, dann bedeuten die 20cm Unterschied gerade mal wenige zehntel dB Unterschied, was von unserem Gehör nicht mehr unterschieden werden kann, daher sollte ein Subwoofer auf dieser Entfernung nicht mehr, oder nur sehr undeutlich lokalisierbar sein.


Durch Phasenunterschiede an beiden Ohren kann hingegen das Gehirn keine Ortung durchführen, da bei Wellenlängen über 4m die Unterschiede zu gering sind.



Ortbarkeit des Subwoofers durch zu hohe Trennung

In einem Setup mit einem Subwoofer trennt man die Satelliten ab einer bestimmten Frequenz und lässt den Rest vom Subwoofer übernehmen. Im Normalfall ist es so, dass dabei der Subwoofer oberhalb dieser Frequenz mit einem 24dB/Oktave Filter getrennt wird (wobei die Satelliten nach unten oft nur mit 12dB/Okt getrennt werden, daher hier aufpassen). D.h. mit jeder Verdoppelung der Frequenz spielt der Subwoofer um 24dB leiser. Bei einer Trennung bei 100Hz würde dementsprechend 400Hz mit 48dB weniger Pegel wiedergegeben.
Dies ist auch ungefähr der Pegel, ab dem das Gehör die betroffende Frequenz nicht mehr wahrnehmen kann, wenn das Gesamtsignal entsprechend linear ist.

Da nun ab 500Hz die Ortungsfähigkeit vom Gehör anfängt (ab hier funktioniert die sog. (HRTF, Head related transfer function, Übertragungsfunktion vom Kopf, denn je nach Frequenz verändert sich der Schall auf dem Weg zum Ohr am Kopf vorbei), sollte es Ziel sein, dass alle hörbaren Anteil vom Subwoofer unterhalb dieser Frequenz bleiben.
Bei einer 100Hz Trennung wäre dieser Fall noch ziemlich sicher gegeben, nur bei 200Hz Trennfrequenz würde erst bei 800Hz -48dB gegenüber dem Signalpegel erreicht werden, wodurch ortbare Frequenzanteile vom Subwoofer vorkommen KÖNNEN (abhängig vom Signal)

Die Trennung vom Subwoofer ist aber nicht der primäre Grund, warum ein Subwoofer ortbar werden kann, denn auch bei deutlich tieferer Trennung um die 100Hz wird berichtet, dass eine Ortung möglich war.


Ortbarkeit durch hohen Klirrfaktor

gerade bei Subwoofern ist der so genannte Klirrfaktor (Tieftöner mit zu geringer Kontrolle und weicher Einspannung schwingen bei harmonischen Vielfachen der Frequenzen, bzw Aufbrechen weicher Membran in Partialschwingungen) relativ hoch, so dass es vorkommen kann, dass z.B. bei 100Hz, die mit vollem Pegel wiedergegeben werden, ein harmoisches Vielfaches bei 300Hz mit -30dB (Klirrfaktor K3 = 5%) wiedergegeben wird. Das ganze kann auch leicht noch höhere Frequenzen erreichen, da der Subwoofer ja auch noch höhere Frequenzen wiedergibt.
Diese unerwünschten Obertöne (die normalerweise nur im Signal vorkommen sollte, wo sie dann von den Hauptlautsprechern wiedergegeben werden), sind zum Teil auch abhängig von der Wiedergabelautstärke, d.h. bei sehr hohen Pegel und unterdimensionierten Subwoofern werden die Anteile an Obertönen sehr hoch, wodurch der Subwoofer in seiner Position lokalisierbar wird.



Frequenzmodulation durch Laufzeitunterschiede

Jeder kennt den Donner nach einem Blitzeinschlag. Dieser wird allgemein als sehr tief in der Frequenz angenommen, dennoch kann man den Ursprung des Blitzes erhören.
Das liegt daran, dass der Donner an sich keine Frequenz hat.
Denn wenn der Blitz in den Boden einschlägt, dann wird durch den hohen Strom die Luft extrem stark erhitzt und ionisiert. Dadurch wird zuerst der Blitz sichtbar und des Weiteren dehnt sich die Luft um den Blitz herum explosionsartig aus.
Würde man nun direkt neben dem Einschlag stehen, dann würde man nur einen extrem lauten Knall hören, mehr nicht (da man augenblicklich durch die Schockwelle / das Magnetfeld / der Spannung im Boden getötet werden würde, würde man nicht mal den Knall wahrnehmen ).
Je weiter weg man vom Einschlag ist, desto länger und tiefer erscheint das Donnern.

Dieser Effekt kommt dadurch zustande, weil Luftschichten unterschiedlicher Temperatur und Dichte den Schall unterschiedlich schnell leiten.
Hier eine Grafik, wie die Schallausbreitung nach einem Blitzeinschlag (linke Seite) aussieht und was beim Hörer auf der rechten Seite ankommen würde:



die Darstellung ist nicht ganz korrekt, normalerweise würde der Schall auch senkrecht nach unten verlaufen, ich habe hier ausschließlich die Ausbreitung in der horizontalen einigermaßen korrekt dargestellt. Für eine richtige Darstellung fehlt mir die dazu notwendige (teure) Simulationssoftware.


Wie man sieht, überlagern sich mehrere Schockwellenfronten und je nach Abstand hat man auch eine unterschiedliche Frequenz. Dabei kommen auch sehr viele Oberwellenanteile vor, welche dann auch für die Ortbarkeit verantwortlich sind.



Ähnlich wie bei der Schallausbreitung beim Donner, hat man auch im Raum Einflüsse, die die Schallfronten zueinander versetzt ausbreiten lassen, wodurch neue Frequenzen entstehen können.
Da im Raum aber noch extrem viele andere Einflüsse bestehen ist dieser Fakt sehr gering ausgeprägt. Vor allem durch die großen Abmessungen der Schallwellen im Tieftonbereich (100Hz = 3,44m, 20Hz = 17,2m) ist eine normale Schallausbreitung nach Einfallswinkel = Ausfallswinkel nur im oberen Frequenzbereich vom Subwoofer zum Teil gegeben.

So würde das ungefähr aussehen:


Wie man sieht kann es leicht passieren, dass zwei Schallfronten gleicher Phase und Itensität zu unterschiedlichen Zeitpunkten an einem bestimmten Punkt ankommen, was dazu führt, dass sich die Frequenz ändern kann.



Ortung durch partielle Absorbtion

wie weiter oben beschrieben, können Subwoofer auch größere Anteile an Obertönen abgeben, welche zu einer Ortung führen können. Unter normalen Umständen wären diese vielleicht gerade ausreichend leise, damit keine Ortung stattfinden kann, wenn aber z.B. durch einen Schrank oder ein dünnes Fenster mehr tiefe Frequenzen absorbiert werden als deren Obertöne, dann kann es passieren, dass z.B. der Schrank als Quelle der Signale identifiziert wird



in diesem Bild ist hellblau die eigentliche Frequenz vom Subwoofer und grün die Obertöne. Wie man sieht, bleibt nach der Reflektion am Schrank mehr Obertonanteil übrig, wodurch unter Umständen eine Ortung wieder möglich wird.




Aufstellung eines Subwoofers unter dem Gesichtspunkt der Ortbarkeit und auswählen der Trennfrequenz

Da bei den meisten Film – und Musikmaterialien die primäre Richtung, aus der die Signale kommen, vorne ist, sollte auch der Subwoofer dort hinkommen. Dies ist aber nicht zwingend notwendig, wenn der Subwoofer nicht in seiner Position lokalisierbar ist.
Wenn der Subwoofer selbst wenig Klirranteile erzeugt und auch die Trennfrequenz nicht zu hoch liegt, ist eine Aufstellung hinter dem Hörer oder daneben problemlos möglich. Allgemein kann man hier eine Trennung bei maximal 80Hz annehmen und einem Abstand von mehr als 2m. Es kann aber nötig werden, bei so einer Aufstellung noch tiefer zu trennen, was allerding den Nachteil hat, dass auch die Lautsprecher so tief spielen müssen, was gerade im Surroundbereich schnell zu Problemen führen kann.

Hat man die Möglichkeit, den Subwoofer nahe dem Center, bzw vorn in der Mitte aufzustellen, dann ist der Ursprung von Obertönen usw ebenfalls vorn in der Mitte (die seitlichen Reflexionen verhalten sich ähnlich wie die Reflektionen vom echten Centerlautsprecher, weshalb eine Ortung dann dem Center zugeordnet wird).
In dieser Aufstellung ist eine Trennung bis 150Hz problemlos möglich.

Steht der Subwoofer mehr bei den Hauptboxen, dann werden die seitlichen Reflexionen stärker und um so ausgeprägter, je größer die reflektierend (schallharte) Fläche (Wand, großer Schrank usw) ist. Bei der Reflektion können wie oben beschrieben, Unterschiede auftreten, sodass sich die Welle verändert und damit das Signal. Aber auch hier gilt, je tiefer die Frequenz ist, desto geringer fallen die Veränderungen aus, bzw desto größer müssten die Hindernisse sein, damit der Effekt noch auftreten kann.
Bei dieser Aufstellung nah der Hauptboxen ist es empfehlenswert, den Subwoofer bei 100-120Hz zu trennen.

Werden statt einem, mehrere Subwoofer verwendet (ideal 2 oder 4 baugleiche Subwoofer), dann vermindert sich das Problem der Ortbarkeit zum Teil drastisch. Bei mehreren Subwoofern kann man dann daher diese optimal nach den Regeln der Raumanregung aufstellen (siehe nachfolgende Links).




Da die Lokalisation bei der Subwooferplatzierung aber von absolut NACHRANGIER Bedeutung ist, sollten VORHER die Punkte in diesem Thread beachtet werden:
Aufstellung von Subwoofern, Bassprobleme im Raum


Hier noch Erklärungen zu akustischen Begriffen, die ganz Hilfreich zum Verständnis sind:
Grundlegende Begriffserklärungen zur Akustik

ahso