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Lautsprecher für Live-PA-System optimal aufstellen

Nach reiflicher Überlegung ist es endlich so weit: Das neue PA-System wurde geliefert und in der Location installiert. Das Audiosignal kommt da an, wo es soll, und auch sonst ist alles richtig verkabelt und positioniert. Alle Beteiligten vor Ort sind gespannt auf die ersten Klänge des neuen Systems, doch bereits nach wenigen Sekunden wird klar: Irgendwas stimmt nicht! An der einen Position dröhnt der Bass und überlagert die anderen Frequenzen, an anderen Stellen ist er fast nicht zu hören. 

Damit ein PA-System auch gut klingt, braucht es in manchen Fällen leider mehr als das bloße Aufeinanderstellen von Lautsprechern. Leider sind die räumlichen Gegebenheiten, in denen PA- oder auch Club-Systeme zum Einsatz kommen, selten akustisch optimal designt und deshalb bedarf es ein paar grundlegender Regeln, die bei der Planung eures PA-Setups zu beherzigen sind.

Mit dem folgenden Workshop wollen wir euch einmal zeigen, was es bei der Lautsprecherpositionierung zu beachten gibt und wie ihr euch ein paar physikalische Regeln zunutze machen könnt, damit ihr euer PA-System optimal zum Klingen bringt … 

Lautsprecher optimal fürs Konzert aufstellen

In diesem Workshop nutzen wir zur Veranschaulichung die QSC K2 und die QSC-KS-Serie. Ihr könnt die folgenden Schritte aber auf jedes andere System übertragen. Ich habe versucht, möglichst einfach und ohne viel „Fachchinesisch“ auszukommen, werde aber um die ein oder andere Formel nicht herumkommen.

Good to know: Die Schallausbreitung ist frequenzabhängig

Einer der wichtigsten Faktoren, die es bei der Positionierung von PA-Lautsprechern zu berücksichtigen gilt, ist, dass sich Schall frequenzabhängig unterschiedlich im Raum ausbreitet. Tiefe Frequenzen beispielweise breiten sich kugelförmig im Raum aus, wohingegen Frequenzen ab ca. 2,5 bis 10 kHz gerichtet abgestrahlt werden. 

Die Schallausbreitung ist abhängig von der Frequenz
Die Schallausbreitung ist abhängig von der Frequenz

Abstrahlverhalten des Lautsprechers 

Horizontal und vertikal

Um die Topteile ideal positionieren zu können, gilt es als Nächstes herauszufinden, welches Abstrahlverhalten der eingesetzte Lautsprecher zu bieten hat. Im Idealfall erreichen wir dadurch eine gleichmäßige Abdeckung des Publikumsbereichs. Der K10.2 aus dem Hause QSC beispielweise bietet eine Abdeckung von 90° achsensymmetrisch. Das heißt, dass der Lautsprecher sowohl horizontal als auch vertikal im 90°-Winkel ausstrahlt. Mit diesen Informationen bewaffnet wenden wir uns dem nächsten wichtigen Punkt zu.

Fotostrecke: 2 Bilder Das vertikale Abstrahlverhalten eines QSC K10.2 

Schall-Reflexionen

Lautsprecher für Live-PA-System optimal aufstellen: Leider haben wir vor allem in geschlossenen Räumen nicht nur den direkten Schall aus der PA, sondern auch diverse Reflexionen, die von Wänden, Decken und dem Boden zurückgeworfen werden. Diese Erstreflexionen haben zur Folge, dass sich bestimmte Frequenzen an manchen Positionen auslöschen bzw. anheben und so unerwünschte Klangfärbungen auftreten können, die eine Lokalisierung der Schallquelle erschweren.

In den hohen Frequenzen leidet so vor allem die Sprachverständlichkeit, in den tiefen Frequenzen fehlt es an Schalldruck. Außerdem verkleinert sich unter Umständen der Stereobereich, sprich der Bereich im Publikum, an dem der Zuhörer beide Seiten – sowohl die Linke als auch die Rechte – der PA gleichermaßen hört. Eine simple Lösung, die in dieser Situation Besserung verschafft, ist das einfache Eindrehen der Topteile. Wie ihr auf den beiden Grafiken im Vergleich erkennen könnt, verbreitert sich das Stereofeld beim Eindrehen der Tops und die Erstreflexionen treten erst im hinteren Bereich der Location auf.

Fotostrecke: 2 Bilder Beim klassischen Stereo-Setup sind die Boxen gerade aufs Publikum gerichtet

Bassanhebung

Im tiefen Frequenzbereich kommt in geschlossenen Räumen je nach Position des bzw. der Subwoofer ein weiteres Phänomen zum Tragen: Je nachdem wie weit ich den Sub in der Nähe einer Wand positioniere, ändert sich der sogenannte Abstrahlbereich. Besonders durch harte Oberflächen wird dieser in seinem Abstrahlbereich begrenzt. Das hat zur Folge, dass sich im Frequenzbereich unterhalb von 200 Hz der Schalldruckpegel erhöht.

Wird der Bass beispielweise in einer Ecke installiert, sprich der Abstrahlbereich ist in drei Richtungen begrenzt, tritt dieser Effekt am stärksten auf. Wie ihr an der Grafik erkennen könnt, kommt es beim hier dargestellten OSC K.2 Speaker zu einer Anhebung von 18 dB im Bereich unterhalb von 200 Hz. 

Lautsprecher aufstellen: Je nach Position des Subwoofers kommt es zu einer erheblichen Bassanhebung
Je nach Position des Subwoofers kommt es zu einer erheblichen Bassanhebung

Lautsprecher aufstellen: Auslöschungen reduzieren

Trennfrequenz

Damit wir Auslöschungen der einzelnen Boxen zueinander im Vorfeld auf ein Minimum reduzieren können, empfiehlt es sich den Boxen einen festen Frequenzbereich zu vergeben. Auf diese Weise gewährleisten wir, dass sich die überlappend wiedergegebenen Frequenzen nicht beeinflussen. In der Praxis würde man beispielweise beim Subwoofer ein High-Cut-Filter bei 100 Hz setzen und bei den Tops ein Low-Cut-Filter ebenfalls bei 100 Hz. Auf diese Weise gewährleisten wir, dass sich der Direktschall der einzelnen Speaker möglichst wenig in die Quere kommt. 

Was ist hier Phase?

Aber warum löschen bzw. verstärken sich die Frequenzen den eigentlich? Nehmen wir einmal an, wir hätten zwei Subwoofer, die exakt die gleiche Entfernung zur Hörposition haben. Wenn wir jetzt auf beide Subs einen Sinuston mit der gleichen Frequenz geben und bei einem der Subs die Phase um 180° drehen, löscht sich das Signal komplett aus. In der Praxis wird sich das Signal im Raum wahrscheinlich nicht zu 100 % auslöschen, da kleinste Abweichungen in der Beschaffenheit des Raums bzw. der Symmetrie ausreichen, die vollständige Auslöschung zu verhindern. 

Um Phasenauslöschungen auf ein Minimum zu reduzieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten, das Setup bzw. den Aufbau eines PA-System zu gestalten. 

Fotostrecke: 2 Bilder Mit Hilfe der Trennfrequenz lassen sich Frequenzüberlagerungen zwischen Sub und Tops reduzieren

Bass Placement

L/R Stacking

Lautsprecher optimal aufstellen: Das wohl am häufigsten vorkommende Setup, vor allem in kleinen bis mittelgroßen Live-Locations, ist das L/R Stacking. Hier werden die Subs links und rechts unter die Topteile gestellt. Meistens liefert ein solches Setup auch ein überzeugendes Ergebnis. Oft treten bei diesem Aufbau aber Probleme im Bassbereich auf, da die Subwoofer zu weit auseinander positioniert sind und es so zu Auslöschungen bzw. zu ungewollten Anhebungen kommen kann. 

Klassischer PA-Aufbau – L/R Stacking

Mono-Cluster

Um den Bassbereich homogener darzustellen, bietet es sich also an, den Sub mittig zu platzieren, da sich so die Frequenzen aufgrund der kugelförmigen Verteilung gleichmäßig im Raum ausbreiten. Bei kleinen 2.1 Setups (Links, Rechts, Sub) ist dies in den meisten Fällen problemlos zu realisieren. Bei größeren Setups mit mehr als einem Subwoofer ist diese Konfiguration aber schwierig zu realisieren. Man stelle sich vor, man würde bei großen Bühnen alle Subwoofer mittig übereinanderstapeln. Hier wäre dann der Bassbereich homogen verteilt, allerdings auch nichts mehr vom Sänger zu sehen.

Lautsprecher aufstellen:  Mono Cluster
Mono Cluster ist vor allem bei kleinen Setups häufig eine gute Wahl

Sub-Array-Zahnlücke

Damit wir beim Einsatz von mehreren Subwoofern eine gleichmäßige Bassverteilung erreichen, bietet sich der Aufbau als Sub-Array, auch „Zahnlücke“ genannt, an. Hierbei stellen wir uns vereinfacht die Subwoofer als Zähne in einem vernachlässigten Gebiss vor, bei dem jeder zweite Zahn fehlt. Der genaue Abstand der einzelnen Subs zueinander ist besonders wichtig. Als Faustformel gilt an dieser Stelle, dass die Mitte der jeweiligen Lautsprecher nicht weiter als die halbe Wellenlänge der höchsten zu koppelnden Frequenz zum nächsten Lautsprecher auseinanderliegt. 

Ein praktisches Beispiel.

Die Trennfrequenz unseres Workshop Subwoofers QSC KS118 wird auf 80 Hz festgelegt. Die zu errechnende Wellenlänge beträgt 4,29 m und kann mit dieser Formel berechnet werden: (c (Schallgeschwindigkeit 343,2 m/s) = λ (Wellenlänge) * f (Frequenz))

Hier dazu das Rechenbeispiel:

343,2 m = X m x 80 Hz ÷ :80

4,29 m = X 

Die halbe Wellenlänge liegt also bei 2,15 m.

Nehmen wir jetzt die gesamte Breite des KS118 von 52 cm und ziehen diese von der zuvor errechneten Wellenlänge ab, ergibt sich eine maximale Entfernung von 1,63 m von Gehäusekante zu Gehäusekante. Bei einer Trennfrequenz von 100 Hz würde sich der Abstand auf 1,20 m verringern.

Der typische Aufbau eines Sub Arrays
Der typische Aufbau eines Sub Arrays

Cardioid Sub Array

Lautsprecher optimal aufstellen: Alle drei vorgestellten PA-Setups lassen sich auch problemlos als Cardioid-Setup betreiben. Bei diesem Setup machen wir uns die Phasenauslöschung im Bassbereich zunutze und möchten dadurch eine gezielte Auslöschung hinter den Lautsprechern erreichen. Um euch das Prinzip einmal möglichst einfach zu veranschaulichen, gehen wir von einem L/R Stacking Setup aus.

Bei unserem Aufbau stehen auf jeder Seite drei Subwoofer übereinander gestackt. Als Besonderheit zeigt der Lautsprecher des mittleren Subwoofers zur Bühne und der untere und obere Sub zeigen nach vorn Richtung Publikum. Ziel ist es, eine möglichst vollständige Subtraktion nach hinten und eine Addition nach vorne zu erreichen. Dies hat den Vorteil, dass es auch nur vor der Bühne richtig rummst und sowohl die Bühne selbst als auch die nächsten Anwohner hinter der Bühne verschont bleiben und letztere nicht geneigt sind, die Polizei zu rufen. 

Um das zu erreichen, drehen wir nur beim mittleren Sub die Phase um 180° und versehen den Sub zusätzlich mit einer Delay-Zeit. Durch die Phasendrehung um 180° erreichen wir nach hinten eine Dämmung. Mit Hilfe der Delay-Zeit können wir den ungefähren Frequenzbereich festlegen, der nach vorne verstärkt werden soll. Nehmen wir als Beispiel 60 Hz.

343,2 m/s (Schallgeschwindigkeit) : 60 Hz

= 5,72 m Wellenlänge

Da wir beim Woofer bereits die Phase invertiert haben, benötigen wir auch nur die Hälfte der Wellenlänge also 2,86 m.

2,86 m : 343,2 m/s = 0,0083 s

0,0083 s x 1000 = 8,33 ms

Lautsprecher für Live-PA-System optimal aufstellen: In der Praxis

So die Theorie. In der Praxis verfügen viele Subwoofer bereits von Haus über einen Cardiod Mode. Beim QSC KS212C werden einfach zwei Lautsprecher so angebracht, dass sie nach vorne und hinten schallen. Aktiviert man den Cardioid Mode, erfolgt die Polarität und vor allem die zeitliche Verzögerung mit Hilfe des internen DSP-Processors. Eine aufwendige Rechenorgie vor Ort ist also häufig nicht notwendig.

Einfach gesagt, dient die Delay-Zeit in unserem Fall dazu das kugelförmige Abstrahlverhalten der vorderen Subs ein wenig nierenförmiger zu gestalten. 

Im Cardioid-Betrieb erreichen wir eine maximale Auslöschung auf der Bühne

Lautsprecher aufstellen: Additional Speaker

Insbesondere bei großen Locations bzw. Bühnenaufbauten reicht die Main-PA nicht aus, um den gesamten Publikumsbereich ausgewogen zu beschallen. Hier ist es unumgänglich weitere Boxen ins Spiel zu bringen.

Near/Sidefills

Möchte man ein breites Bühnen-Setup ausgewogen beschallen, wird es ab einer bestimmten Distanz zwischen den Topteilen problematisch, den vorderen, mittigen Bereich vor der Bühne ausreichend zu beschallen. Je nach Abstrahlverhalten der linken und rechten Seite der Main-PA fällt es an dieser Position schwer, Frequenzen in den oberen Mitten bzw. Hochtonbereich wahrzunehmen. Dies hätte in der Praxis zur Folge, dass das Publikum an dieser Stelle kaum Gesang, Gitarren oder andere Instrumente im genannten Frequenzbereich wahrnehmen würde.

Abhilfe schaffen sogenannte Nearfill Speaker. Hierzu werden kleinere Fullrange Speaker oder Tops mittig an der Bühne positioniert. In der Regel stellt man die Nearfills einfach auf die vor der Bühne aufgestellten Bässe. Es ist aber ebenfalls möglich, die Box/Boxen an der Fronttraverse der Bühne anzubringen. 

Reicht das Abstrahlverhalten der Topteile nicht aus, um die gesamte Breite der Location ausreichend zu beschallen, bieten sich zusätzliche Sidefill-Speaker an. Diese werden dann zusätzlich an beiden Seiten der Bühne installiert, um einen breiteren Bereich abzudecken. 

Fotostrecke: 2 Bilder Near- und Sidefills erweitern den Abstrahlbereich

Delay-Line

Lautsprecher aufstellen: In größeren Locations reicht ein herkömmliches PA-System, bestehend aus Topteilen und Subwoofern, oft nicht aus, um den Schall gleichermaßen im Raum zu verteilen. Außerdem kommt es bei großen Entfernungen zur Klangquelle zu einem erheblichen Energieverlust. Kurz und knapp: Je weiter ich vom PA-System entfernt stehe, umso leiser wird es. Die eine Möglichkeit wäre es, einfach das gesamte System lauter zu machen. Allerdings wäre es dann für die Leute in den ersten Reihen unter Umständen viel zu laut. Abhilfe schafft da der Einsatz von weiteren Lautsprechern als Delay-Line. Diese zusätzlichen Boxen werden einfach in einem bestimmten Abstand zum eigentlichen System aufgestellt und dienen zur gleichmäßigen Verteilung im hinteren Bereich der Location. 

Beim Betrieb von Delay-Lines muss das Signal der Delay-Lautsprecher zum Signal der Main-PA so verzögert werden, dass beide Signale auch gleichzeitig beim Publikum ankommen. Um die Delay-Zeit zu berechnen, benötigen wir erneut die Schallgeschwindigkeit. Diese liegt, wie wir ja wissen, bei 343,2 m/s. Gehen wir davon aus, dass wir unsere Delay-Line in 20 Meter Entfernung aufstellen, rechnen wir Folgendes: 

343,2 m/s : 1000 = 34 cm/ms

20 Meter (Entfernung) : 0,34 m (Schallgeschwindigkeit in cm) = 58,28 ms Delay

Lautsprecher aufstellen: Die Delay-Line verteilt das Audio-Signal weitläufig und entlastet die PA sowie die Ohren der ersten Publikumsreihe
Die Delay-Line verteilt das Audio-Signal weitläufig und entlastet die PA sowie die Ohren der ersten Publikumsreihe

Räumliche Gegebenheiten

Nachdem wir nun wissen, wie sich die einzelnen Frequenzen im Raum verteilen und welche Positionen im Raum welche Auswirkungen auf den Klang haben können, gilt es das Ganze auf eure Setups zu übertragen. 

Wahrscheinlich werdet ihr feststellen, dass ihr in der Praxis leider euer geplantes Setup nicht zu 100 Prozent umsetzen könnt. Bauliche Einschränkungen wie beispielweise Säulen, geringe Deckenhöhe, ungünstige Raumproportionen oder akustisch ungünstige Bodenbeläge stehen dem perfekt klingendem PA-System häufig im Weg. Zusätzlich gilt es, sich selbstverständlich an alle Sicherheitsvorschriften zu halten. Der örtliche Ordnungsamt-Mitarbeiter wird nicht davon zu überzeugen sein, die Bässe direkt vor dem Notausgang zu positionieren, auch wenn es so am besten klingt.

Erlauben das Budget und die Location bauliche Veränderungen, kann man versuchen, das Gebäude ans System anzugleichen. In der Regel ist diese Option aber nicht gegeben und wir können lediglich versuchen, mit einfachen Mitteln die größten Probleme zu verbessern. Molton an den Wänden kann bei zu langer Nachhallzeit wahre Wunder bewirken. Ebenso können ein paar selbstgebaute Absorber unter der Decke den Klang des PA-Systems im Raum erheblich verbessern. In Kombination mit den physikalischen Regeln, die ihr im heutigen Feature kennengelernt habt, könnt ihr so euer eigenes System klanglich verbessern.

Leider ist nicht jede Location akustisch optimal gebaut
Leider ist nicht jede Location akustisch optimal gebaut

Resümee

Lautsprecher für Live-PA-System optimal aufstellen: Wir hoffen, unser heutiger Speaker Placement Workshop konnte euch bei der Positionierung eures PA-Systems weiterhelfen und dafür sorgen, ein wenig Licht ins Dunkel zu bringen.

Im nächsten Teil dieses Workshops stellen wir euch verschiedene Tools und Möglichkeiten vor, euer System mit Delay-Zeiten oder verschiedenen Equalizer-Einstellungen zu versehen, auch wenn ihr kein internes DSP-Processing in den einzelnen PA-Lautsprechern nutzen könnt. Hier erfahrt ihr alles über Matrixen im Mischpult, System-Controller und noch vieles mehr. 

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