Grundlagen Line Arrays

 

 

Ein Line Array Prinzip beruht auf der Tatsache, dass Leistung auf viele Einzelne verteilt, nur noch wenig Arbeit für den Einzelnen bedeutet.
Es macht einen Unterschied, ob eine bestimmte Musiklautstärke von einem Lautsprecher oder von 10 Lautsprechern wiedergegeben wird:
Anders gesagt: Wenn 10 Lautsprecher dieselbe Lautstärke wie ein einzelner produzieren, bedeutet das für einen Lautsprecher im Array nur ein Zehntel der Auslenkung der Membran gegenüber eines  einzigen Lautsprechers in einem herkömmlichen Lautsprecherbox.
Damit wird automatisch auch der Grad der Verzerrungen vermindert, was sich im Dynamik - und Kompressionsverhalten hörbar bemerkbar macht.

Es ist bekannt, dass viele Lautsprecher, in einem sogenannten Array angeordnet erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Mehrwegelautsprechern haben, vorausgesetzt, dass dieses Prinzip richtig anwendet wird.
Die hier vorgestellten Arrays machten 10 Jahre Entwicklung durch, in denen viele neue Erkenntnisse stecken. Es gab 20 verschiedene Evaluationen, in denen sich das endgültige Konzept langsam herauskristallisierte.
Man kann gerade bei diesem sehr komplexen Lautsprecher-Prinzip viele fatale Fehler machen, die den großen materiellen und finanziellen Aufwand zunichte machen, bzw. deren Ergebnisse schlechter sein können als die von  „normalen“ Mittelklasse Lautsprecherboxen.

 

Vorteile von Line Arrays , wenn sie gut designed wurden

Viele kleine Treiber in einem Zwei- oder 3 Wege-Line-Array in Parallel / Serienverschaltung haben folgende Vorteile:

  • Verminderung von Boden und Deckenreflexionen
  • Projiziert eine große und weite, raumfüllende Bühnenabbildung, die im gesamten Raum gleichbleibende Klangenergie, Schallintensität aufweist
  • Bietet eine außergewöhnliche Dynamik und Livecharakter, welche mit  realer Bühnendarstellung vergleichbar ist. Der Klang ist deutlich klarer als mit herkömmlichen Lautsprechern, besonders bei gehobener Lautstärke
  • Bietet eine weit höhere Leistung und Schalldruckpegel als herkömmliche Lautsprechersysteme
  • Deutlich höherer Wirkungsgrad, vergleichbar mit Hornsystemen
  • Benötigt geringere Verstärkerleistung
  • Verringert die Verzerrung des Gesamtsystems gegenüber Systemen mit jeweils einem Lautsprecher für Bass/Mitten/Höhen erheblich
  • Nahezu konstanter Schallpegel im gesamten Hörraum
  • Höhere Belastbarkeit

 

 

Die meisten Line Arrays sind wohl Zwei-Wege-Systeme, in denen eine vertikale Linie mit kleinen bis mittelgroßen Tief-Mitteltönern integriert ist, die im unteren Frequenzbereich arbeiten. Daneben befindet sich die vertikale Linie von Hochtonlautsprechern, die den höheren Frequenzbereich abdeckt. Oft gibt es noch einen Subwoofer, die den Sub-Bereich abdeckt, da die Tieftöner des Line Arrays schon aufgrund ihrer physikalischen Größe und damit verbundenen Thiele-Small Parameter die unterste Oktave unseres Gehörs oft nicht ganz abdecken können.

Auf entsprechenden Webseiten findet man verschiedenste Line-Array-Designs. Sowohl im DIY Bereich, als auch im Kommerziellen Bereich. Ich erinnere an die Infinity Reference Standard, damals in der Preisklasse eines Einfamilienhauses.

Infinity Reference Standard 1980

Das kommerzielle Line Array Konzept wurde später von den Firmen Genesis, Annuario Audio, McIntosh, Wisdom Audio und unbekannteren Firmen weiter verfolgt.

 

Im Professionellen Audio Bereich sind Line Arrays Gang und Gäbe, während sich dieses Konzept im Hifi Bereich aus oben erläuterten Gründen nie in der Breite durchgesetzt hat.

Abbild eines PA Line Arrays

Gründe sind in den physikalischen Dimensionen eines Arrays, sowie die schwierige Abstimmbarkeit begründet. Mit den heutigen digitalen Möglichkeiten (DSP) können Line Arrays individuell, effizient und einfach abgestimmt werden.
Besonders exotische Line Array Designs, mit theoretisch vielversprechenden Ergebnissen waren noch vor 20 Jahren unmöglich zu realisieren. Im Zuge der digitalen Möglichkeiten habe ich dieses Konzept aufgegriffen und weiterentwickelt.

 

Kommerzielle Line-Arrays für den Heimgebrauch sind meist sehr teuer und wohl für viele audiophile Home-User nicht erschwinglich als auch vom Platzbedarf und der Aufstellung her nicht einfach zu realisieren. Da jedoch die Wohnzimmer in den letzten Jahrzehnten aufgrund wachsenden Wohlstandes immer größer wurden findet vielleicht mancher ambitionierte HiFi Liebhaber doch Möglichkeiten ein Line Array bei sich zuhause aufzustellen. Für diejenigen, für die diese Kriterien kein Hindernis bedeutet, kann ein Line Array das sein, wonach sie ein Leben lang gesucht haben.

 

 

Version einer großen Schallwand mit insgesamt 1200 Treibern und mehreren Quadratmetern Membranfläche.

 

Dieses Design ist das Resultat mehrjähriger Line-Array Studien. Es ist eine offene Schallwand und schafft es, die Bühne genau so 3-dimensional abzubilden, wie man es von den besten Breitbändern gewohnt ist, auch wenn das von der Bauart her, völlig abwegig erscheint.


Ohne digitales Management wäre dies unmöglich.
Ein ausgeklügeltes digitales Konzept schafft es 1200 Lautsprecherchassis, an einem speziell dafür entwickelten Media-PC zum Klingen zu bringen.

 

Es übertrifft in Dynamik, Klangreinheit räumlicher Breiten- und Tiefenstaffelung mühelos sogar große Hornlautsprecher wie diese hier (Hornkonzept, Eigenentwicklung 2010).

 

 

 

 

Unterscheidung von Nah- und Fernfeld

Alle Lautsprecher geben ihre Energie sowohl im Nahfeld (in der Nähe der Lautsprecher) als auch im Fernfeld ab.
Konventionelle Punktschallquellen-Lautsprecher erzeugen eine sphärische Wellenfront. Der Hörer liegt hierbei im Fernfeld. Line Arrays erzeugen eine zylindrische Wellenfront.

Bei Line Arrays liegt der Hörer bis zu einer bestimmten Entfernung zum Lautsprecher im Nahfeld, wenn das Line Array entsprechende Dimensionen aufweist (nahezu Raumhöhe).
Für ein Line Array ist das Nahfeld da, wo der abgestrahlte Schall eine vertikale zylindrische Wellenfront aufweist. In den Fernfeld-Übergängen ähnelt die Schallabstrahlung einer sphärischen Wellenfront.
Nach einem bestimmten Abstand vom Line Array, welche von den physikalischen Gegebenheiten des Arrays abhängt, geht diese zylindrische Wellenfront in eine sphärische Wellenfront über.

 

 

 

 

Um diese Unterschiede besser zu verdeutlichen: hier eine Seitenansicht der vertikalen Abstrahlung von einer Punkschallquelle und einem Line Array. Dies veranschaulicht die Nah- und Fernfeldbereiche, deren Abstrahlcharakter und die Verluste mit zunehmendem Abstand zur Schallquelle .

 

 

Die Energie (Schalldruck) des abgestrahlten Schalls nimmt bei Punktstrahlern um 6dB bei jeder Verdoppelung des Abstands zur Quelle (Lautsprecher) ab.
Bei Line Arrays beträgt der Verlust im Nahfeld nur 3 dB! Ab einer gewissen Entfernung, die im Hörraum zuhause bei entsprechend designten Line Arrays aber nicht zum Tragen kommt, gilt dann die 6dB Regel.
Die Nahfeld-Fernfeld Übergänge sind überdies frequenzabhängig, was bei der Entwicklung zu berücksichtigen ist.

 

 

Parameterauswahl und weitere Line-Array-Design-Entscheidungen

Line-Arrays haben bestimmte Kriterien für die Gesamthöhe jeder Treiberleitungslänge, dem physikalischen Abstand zwischen den Treibern, spezielle Herausforderungen bei der Übergangsfrequenz und Interferenzerscheinungen bzw. Auslöschungen.
Berechnung von Line-Array Schalldruckpegel und Impedanzen sowie Methoden, die Schalldruckpegel-Dämpfung zu verhindern.

 

 

 

 

Hochtöner Zeilenhöhe

Wie für die Tiefton-Line Länge, wäre die ideale Länge auch hier vom Boden bis zur Decke. Eine solche Länge ist wie bereits erwähnt vorteilhaft um eine Nahfeld Schallabstrahlung für den gesamten Raum sicherstellen. Mögliche Implementierungen wären ein sehr langes Hochton-Folien Band / viele Bändchenhochtöner oder eine große Anzahl von kleinen Kalottenhochtönern.

Eine besonders kosteneffektive Möglichkeit ist die Verwendung von Kalottenhochtönern.
Multiple Bänchenhochtöner oder AirMotion Transformer etc. sind dagegen extrem kostenintensiv.
Zur Erinnerung: Viele Kalottenhochtöner (die wegen das Kammerfiltereffekts möglichst klein in ihren Abmessungen sein sollen) – ich rede hier von 50-100 Stück und mehr, die auch in mehreren Reihen angebracht werden können, weisen real gemessene Verzerrungswerte auf, die weit unter denen, der besten und teuersten auf dem Markt erhältlichen Einzelchassis sind.

 

 

 

Hochtöner Mitte zu Mitte Abstand

Das Ziel bei der Bestimmung des Abstandes zwischen den Treibern in einem Line-Array ist, sie so zu positionieren, dass Sie so nah wie möglich eine durchgehende Linie bilden. Dies würde eine konstante Phasenfront ergeben. Das ist leider schwer möglich, da die Einzelnen Lausprecherchassis, insbesondere die Hochtöner häufig über die reine Membran-Abmessung eine wesentlich größere Gesamt-Abmessung wegen ihres Korbes haben.
Will heißen: ein 25er Kalottenhochtöner hat zwar nur 25mm Kalottendurchmesser, der gesamte Hochtöner ist aber deutlich größer, durchaus 7-10cm und mehr. Bedingt durch den dahinterliegenden Magneten und die darüber liegende, noch größere Montageplatte, die zur Befestigung dient.

 

 


 

 

Für die Hochtöner Linie ist ein sehr kleiner Mitte-zu-Mitte-Abstand (S) zwischen den Zentren der Hochtöner sehr wichtig und gleichzeitig schwierig zu realisieren.

Ideal wäre der Abstand einer halben Wellenlänge der gewünschten höchsten zu übertragenden Frequenz:
Das sind bei 20kHz lediglich 17,2mm. Das bedeutet, dass man im idealen fall Hochtöner von 17,2 mm Durchmesser benötigen würde. Davon gibt es wohl wenige bis keine. Glücklicherweise ist das Ohr in der letzten Oktave nicht besonders empfindlich (siehe Fletcher- Munson Kurven) und somit kann hier ein Kompromiss gemacht werden.
Wählt man 10kHz als Kompromiss, würden Hochtöner mit den Abmessungen von 34,4mm in Frage kommen. Und hier gibt es schon einige zu finden.

 

 


Tiemittelftöner Zeilenhöhe

Die ideale Line-Länge ist unendlich lang, aber wohl schwer realisierbar. Eine
(zwangsläufig) kürzere Länge, in etwa so hoch wie der Raum, kommt an eine unendliche Länge heran, weil sich die Line wegen der Reflexionen an Boden und Decke quasi fortsetzt.
Deutlich kürzere Lines als Deckenhöhe werden hier nicht untersucht, da solche Lautsprecher konventionellen Lautsprechern ähneln und nicht das Potenzial von echten Line Arrays ausschöpfen.

 

 

 Tiefmitteltöner

Nehmen wir als Beispiel Tiefmitteltöner mit 130 mm Durchmesser. Demnach sind 130mm Mitte zu Mitte Abstände zu realisieren.
Augrund der Wellenläng bei 130mm gilt: die Hochton-Line muss bis 2580 Hz herunter spielen da bei einem 130mm Tiefmitteltöner ab dieser Frequenz Kammerfiltereffekte auftreten. Die Filtersteilheit soll mindestens 12db betragen, damit die Kammerfiltereffekte nicht ungenügend bedämpft durchkommen.

Bei einem 17cm Chassis wäre die Übergangsfrequenz ca. 2000Hz

 


   Effizienzberechnung

Die Nennimpedanz einer Line wird durch die Berechnung der Reihen- und Parallelschaltung von Impedanzen berechnet. Das heißt, die Impedanz jedes in Reihe geschalteten Zweigs wird zu den  parallelen Zweigen addiert um als Resultat eine Impedanz zwischen 4 und 8 Ohm zu erhalten.
Das bedeutet, dass mit Reihen und Parallelschaltung herumgerechnet werden muss, um die gewünschte Impedanz zu erreichen.

Danach kann man den Wirkungsgrad des Line Arrays berechnen.

Effizienzgewinn = 10 * log (Anzahl der Treiber)

Wenn die Nennimpedanz des Arrays kleiner als die einzelne Treiberimpedanz ist, erhöht die Empfindlichkeit des  Arrays. Wenn das Array-Impedanz größer ist als die einzelnen Treiberimpedanz ist, dann verringert sich die Empfindlichkeit.

Daher ist für das Gesamtsystem

Systemwirkungsgrad = SPL + Effizienzgewinn

System Empfindlichkeit = SPL + Effizienzsteigerung + Empfindlichkeit Gewinn / Verlust

Betrachten wir zum Beispiel einen Fall, bei wir 12 Treiber in parallelen Gruppen von 2, 3, 3 und 4 in Reihe geschaltet sind. Jeder einzelne Treiber 8 Ohm Impedanz und  einen Schalldruck von 86 dB aufweist. DSomitist der Effizienzgewinn, Gesamtimpedanz, und Empfindlichkeitsverstärkung:

Effizienzgewinn = 10 *log 12 = 10,79 dB
Gesamtimpedanz des Kombinations = 1 / (1/16 + 1/24 + 1/24 + 1/32) = 5,65 Ohm
Empfindlichkeits Gewinn = 10 log (8 / 5.65) = 1,51 dB
Daher ist die Empfindlichkeit des Arrays:
System Empfindlichkeit = 86 + 10,79 + 1,51 = 98,3 dB.

 

Ganz grob lässt sich sagen:

eine Anzahl von 10 Treibern bringen ca. 10dB Gewinn, 100 Stück bringen 20dB, 1000 Stück bringen 30dB

 

 

Schematische Darstellung des Wirkungsgrad-Gewinns

 

 

 

Verzerrungsmessungen Beyma 1 Stück TPL-150 im Vergleich zu 40 Stück Billigst-Kalottenhochtönern (Klick zum Vergrößern)

 

 

Die Messungen wurden mit gleicher Abhörlautstärke gemacht! Man kann die Tendenz deutlich erkennen: Die Billigen Hochtöner erzeugen im Verbund einen um ca. 50% geriingeren Klirr. Wenn man hochwertigere Hochtöner in noch größerer Anzahl verwendet ergibt das Verzerrungswerte, von denen sebst die besten und teuersten Hochtöner träumen können. Dies ist ein Grund warum Line-Arrays bei hoher Lautstärke klarer klingen.

Der Vollständigkeit halber: Hier die Original Array Hochtöner Messung mit billigen Hochtöneren, aus der die ins oberen Schaubild kopierte Kurve stammt: (Klick zum Vergrößern)

 

 

 

Laufzeitprobleme eines Line Arrays

Dem Kritischen Leser wird aufgefallen sein, dass Line Arrays einen Nachteil ggü. Punktschallquellen haben. Gemeint sind die Unterschiedlichen Laufzeiten vom Hörplatz zu den einzelnen Treibern. Dieser Fehler wird kompensiert, indem die Chassis so verschaltet sind (die Impedanzen pro Segment so gewählt werden), dass die Hauptenergie von den Lautsprechern in der Mitte des Arrays am größten ist und gegen oben und unten hin abgeschwächt wird.