Workshop: Delay Lines bei Beschallung und Konzerten einstellen

Delay Line heißt unser Thema heute und alles beginnt wie so oft mit einer Geschichte: Es war ein verdammt heißer Sommertag. Ein Bekannter hatte mich gebeten, bei einem Fußballturnier in Essen am Wochenende die von ihm dort aufgebaute Technik zu betreuen. Zwei Plätze galt es für Durchsagen und Musikeinspielungen zu beschallen. Da beide Plätze nebeneinander lagen, hatte mein Bekannter eine große PA in der Mitte zwischen beiden Plätzen positioniert und die Lautsprecher jeweils in Richtung eines Platzes ausgerichtet. Mischpult, Zuspieler und Empfänger für das Funkmikrofon waren in einem Häuschen ganz am Ende beider Fußballplätze aufgebaut. Zu tun gab es im Prinzip nichts, außer die Anlage morgens in Betrieb zu nehmen und den Tag über für den Notfall vor Ort bereit zu stehen. Mit einem Liegestuhl im Schatten und kalten Getränken sollte das schon funktionieren. Der Moderator konnte sich mit seinem Funkmikrofon frei auf den Plätzen bewegen.  Leider hatte man vergessen, für ihn einen Sonnenschutz bereitzustellen. Seine Idee, sich für die Durchsagen der Ergebnisse ins Häuschen mit der Technik zurückzuziehen, erwies sich als fataler Fehler.

Eins zu Eins zu Eins zu Null

„Hat der gesoffen?“ und „Was soll der Mist?“ waren die harmlosesten Reaktionen, die von Mannschaften und Zuschauern kamen, während der Moderator die nächsten Ergebnisse verkündete. „Das Spiel der Mannschaften xyz gegen abc endete mit einem Eins zu Eins zu Eins zu Null!“, tönte es aus den Lautsprechern. Der Moderator, angesichts der Reaktionen verunsichert, versuchte es immer wieder: „Eins zu Eins zu Eins zu Null!“, „Das Spiel Spiel Mannschaften Mannschaften Eins zu Eins zu Eins zu Null!“. Es wurde immer schlimmer. Ok, der Notfall, von dem ich gehofft hatte, dass er nie eintritt, war nun da und beim Betreten des Technikhäuschens und Erblicken des Moderators, der dort mit hochrotem Kopf saß und immer und immer wieder mittlerweile lallend und verzweifelt versuchte, seine Durchsage zu machen, war der Fall sofort klar.

Alles hat seine Zeit

Was war geschehen? Durch die große Entfernung des Technikhäuschens zu den Lautsprechern kam der Schall dort stark verzögert an. Der Moderator, sich dessen nicht bewusst, als er vor der Sonne hierhin geflohen war, ließ sich stark von der Tatsache verunsichern, dass er ins Mikrofon sprach und anders als zuvor anscheinend aus der PA nichts hörte. Deshalb wiederholte er das Ergebnis. Was er nicht wusste, war, dass der Schall die PA sehr wohl funktionierte und der Schall nur einige Zeit brauchte, um das Technikhäuschen überhaupt zu erreichen. Als der Schall dann endlich eintraf und für ihn wie ein Echo wirkte, war er vollends verunsichert und begann irgendwann wie ein Betrunkener zu lallen. Morgens war die Laufzeit des Schalls kein Thema, denn der Moderator saß auf einem Stuhl neben den Lautsprechern zwischen beiden Fußballfeldern und hörte somit das Signal aus den Lautsprechern stets ohne Verzögerung. Beim Einsetzen der Mittagssonne und der damit verbundenen Flucht in das weit entfernte Technikhäuschen war ein sehr deutlicher Versatz einzukalkulieren, was er aber nicht wusste. Die Problemlösung dauerte keine Sekunde. Ich habe dem Moderator einen Kopfhörer aufgesetzt und diesen am Mischpult eingesteckt. Nun hörte er wieder das Signal gleichzeitig und alles war gut, nur sein Ruf ruiniert.

∆t und Radius r

Die Laufzeit des Schalls ∆t spielt in der Tontechnik eine besonders große Rolle. Schall bewegt sich bei 20°C mit einer Schallgeschwindigkeit von 343,4 Metern pro Sekunde. An unserem heißen Sommertag mit knapp 32° im Schatten dürfte die Schallgeschwindigkeit im Mittel bei 350 Metern pro Sekunde gelegen haben. Für die Berechnung der Schallgeschwindigkeit c bei unterschiedlichen Temperaturen kann folgende Formel verwendet werden: c = 331,4+(0,6 * T). T ist dabei die Temperatur in Grad Celsius. 331,4 Meter/Sekunde ist die Schallgeschwindigkeit bei 0° Celsius und 0,6 eine Konstante für die Anpassung der Schallgeschwindigkeit pro Grad Celsius. Doch was hat es nun mit der Laufzeit auf sich? Die Laufzeit ∆t ist die Zeit, die der Schall benötigt, um einen Radius r zurückzulegen. Warum Radius und nicht Distanz? Bei der Schallausbreitung spielt Richtwirkung zunächst einmal keine Rolle und es wird von einer Punktschallquelle mit kugelförmiger Abstrahlung ausgegangen, deshalb Radius r. Dieser entspricht aber, wenn wir die Schallquelle als Punkt A und einen beliebigen Punkt auf dem Radius r betrachten, der Strecke AB und damit der Distanz zwischen A und B. Wenn ich im weiteren Verlauf von Radius und Distanz spreche, sind diese gleichbedeutend.

Das Time Alignment von PA-Anlagen

Treffen zwei gleiche Signale mit unterschiedlicher Laufzeit beim Hörer ein, geschehen je nach Laufzeit ganz unterschiedliche Dinge. Das bekannteste Phänomen ist das Echo. Ruft man gegen eine schallharte Fläche, wird der Schall reflektiert und mit einer Verzögerung zurückgeworfen, die auf der zweifachen Strecke zwischen Schallquelle und Wand basiert. Ein kritisches Phänomen ist der Kammfiltereffekt, der bei sehr kleinen Verzögerungszeiten auftritt und deshalb für das Time Alignment zweier Lautsprecher von großer Bedeutung ist. Ein letzter, sehr wichtiger Effekt für unser Thema ist der sogenannte Haas-Effekt: Dieser beruht auf dem Gesetz der ersten Wellenfront, was besagt, dass bei zwei gleichen Schallsignalen dasjenige richtungsbestimmend ist, dessen Wellenfront zuerst beim Hörer eintrifft. Das gilt selbst dann noch, wenn die Wellenfront des zweiten Signals einen höheren Pegel besitzt als die erste Wellenfront (bis zu 10 Dezibel). Das Gesetz formuliert Haas aufgrund seiner Versuche grob für eine Verzögerung zwischen 10 und 30 Millisekunden zwischen beiden Wellenfronten, denn innerhalb dieses Bereichs werden beide Signale wie eine Schallquelle empfunden. Ab circa 40 Millisekunden ändert sich diese Wahrnehmung und es werden zunehmend zwei Schallquellen lokalisiert. Für die Praxis bedeutet das, dass bei der Aufstellung mehrerer Lautsprecher im Raum diejenigen Lautsprecher, die näher am Hörer stehen, entsprechend verzögert werden müssen, um die Lokalisation weiterhin beim Hauptlautsprecher und damit vorne an der Bühne zu belassen. Die Verzögerungszeit ergibt sich aus der Distanz zwischen beiden Lautsprechern plus Haas-Bereich, um die Lokalisation beim Hauptlautsprecher zu belassen. Und damit wären wir mittendrin in der Praxis.

Delay Lines und dezentrale Beschallung

Delay Lines gehören zum Konzept der dezentralen Beschallung. Unter dezentraler Beschallung versteht man die Verteilung der Schallsignale auf mehrere im Raum oder im Freien verteilte Lautsprecher. Anders als im Supermarkt, bei dem kein „Hauptsystem“ besteht, gibt es bei der dezentralen Beschallung von Konzerten in der Regel eine Front-PA und verteilte Stützlautsprecher, sogenannte Delay Lines. Der Name deutet es schon an: Diese verteilten Lautsprecher werden mittels Delay so verzögert, dass durch den abgestrahlten Schall von mehreren Lautsprechern kein Echo zu hören ist. Der Vorteil der dezentralen Beschallung mittels Delay Lines liegt auf der Hand: Gleichmäßige Pegel im ganzen Auditorium sind einfacher zu erreichen und das Diffusschallfeld wird verkleinert. Im Diffusschallfeld überwiegen die Reflexionen des Raumes oder anderer schallharter Begrenzungsflächen, während im Direktschallfeld der direkt von der Schallquelle abgestrahlte Schall überwiegt. Die Grenze zwischen Direkt- und Diffusschallfeld wird auch als Hallradius bezeichnet. Zurück zum Kontext: Je weniger Diffusschall beim Hörer eintrifft, desto verfärbungsfreier der Klang und desto höher die Sprachverständlichkeit. Eine Delay Line unterstützt uns also bei dem Vorhaben, das Direktschallfeld möglichst groß zu gestalten und bietet sich für große zu beschallende Flächen oder in hallreichen Räumen an.

Darstellung der unterschiedlichen Laufzeit zwischen Front-PA und Stützlautsprecher. Der Schall des Stützlautsprechers kommt zuerst beim Hörer an und bestimmt deshalb die Wahrnehmung.

Delay Lines einrichten, Laufzeitdifferenz errechnen

Damit eine Delay Line sinnvoll eingerichtet werden kann, ist es zunächst einmal sinnvoll abzuschätzen, wo das Diffusschallfeld beginnt, also den ungefähren Hallradius zu kennen. Damit daraus keine Wissenschaft mit Messungen oder komplexen Berechnungen wird, vertrauen wir einfach unseren Ohren und schreiten den Raum beziehungsweise die Fläche ab, während das Hauptsystem ein geeignetes Schallsignal wiedergibt. Das kann Sprache sein, ein kurzer Knackimpuls oder auch Musik mit vielen impulshaften Signalen. Nicht so gut geeignet sind flächige oder durch Effekte sehr breit klingende Schallsignale. Nun bewegt man sich auf einer Achse zwischen Front und Rückseite im Raum und achtet darauf, wann sich zum Beispiel die Sprachverständlichkeit verschlechtert, Reflexionen das Signal verwässern oder die Musik beginnt, sehr schwammig und diffus zu klingen. Es wird einen Punkt geben, an dem die gehörte Signalqualität von direkt zu diffus „kippt“. Dies ist der Hallradius und der Übergang vom Direktschallfeld zum Diffusschallfeld. Dieser ist nicht immer scharf begrenzt, aber häufig gut auszumachen. Stellt man nun die Stützlautsprecher am Rand des Direktschallfeldes auf, kann man dieses effektiv vergrößern. Keinen Sinn ergibt es hingegen, die Stützlautsprecher mitten ins Diffusschallfeld zu stellen, weil es dann sozusagen „blinde“ Flecken im Bereich zwischen Haupt- und Stützlautsprecher gibt, in denen bereits der Diffusschall dominiert, der Stützlautsprecher aber noch nicht greift.

Randbemerkung: Durch die heutzutage überall anzutreffenden Line Arrays hat die Entfernung zwischen Hauptsystem und Stützlautsprecher zugenommen, da Line Arrays den Schall weiter und gerichteter in den Raum oder die zu beschallende Fläche hinein transportieren und einen geringeren Pegelabfall pro Entfernungsverdopplung besitzen. Bei Großbeschallungen sieht man zudem oft ein weiteres Line Array als Delay Line. So kann die Anzahl der notwendigen Stützlautsprecher verringert werden.

Delay Lines einstellen, Laufzeitunterschiede ausgleichen

Um das Delay entsprechend einstellen zu können, benötigen wir entweder die exakte Entfernung zwischen Haupt- und Stützlautsprecher, ein Thermometer und einen Taschenrechner oder ein Messsystem. Letzteres kann eine Software wie Fuzzmeasure, Room EQ Wizard (REW) oder Smaart sein oder zum Beispiel die handliche XL2 Hardware von NTi. Das Thermometer ist in beiden Fällen sinnvoll, um mit der oben bereits aufgezeigten Formel die Schallgeschwindigkeit bei der aktuell vorherrschenden Temperatur zu berechnen. Zum Ermitteln der Entfernung könnte ein Laser-Entfernungsmesser hilfreich sein. Schritte sind zu ungenau. Hat man die Entfernung zwischen beiden Lautsprechern (s in Metern) und die Schallgeschwindigkeit (c in Metern/Sekunde) ermittelt, wird beides in die folgende Formel eingesetzt: ∆t = s/c. Das Ergebnis ∆t ist die Zeit in Sekunden, die der Schall benötigt, um die Strecke vom Hauptlautsprecher zum Stützlautsprecher zurückzulegen. Da die Delay-Zeit jedoch meistens in Millisekunden angegeben ist, müssen wir noch umrechnen: Dazu multiplizieren wir das Ergebnis mit 1000. Die Formel für ∆t in Millisekunden lautet also:

∆t [ms] = (s/c)*1000

Möchten wir nun das Gesetz der ersten Wellenfront nach Haas ausnutzen, um die Ortung beim Hauptsystem zu belassen, addieren wir 20 Millisekunden auf das Ergebnis. Unsere Formel lautet dann:

∆t [ms] = (s/c)*1000+20

Eine Beispielrechnung:

Der Stützlautsprecher befindet sich in einer Entfernung von 20 Metern zum Hauptlautsprecher. Die Lufttemperatur beträgt 20°C. Die Schallgeschwindigkeit errechnet sich aus c = 331,4+(0,6 * 20°C) = 343,4 m/s. Die Verzögerungszeit, die wir einstellen, errechnet sich aus ∆t [ms] = (20/343,4)*1000+20 = 78,24 ms.

Wer viel misst …

Besitzer eines NTi XL2 in Kombination mit dem NTi Minirator als Signalquelle für das Messsignal können die Verzögerungszeit automatisch ermitteln lassen. Das ist ein einfaches Prozedere, da der XL2 einen passenden Delay Finder-Algorithmus besitzt.

Der XL2 von NTi hat eine praktische Funktion zur Ermittlung von Entfernung und Delay-Zeit

Zunächst einmal benötigen wir ein Testsignal. Dafür eignet sich hervorragend der Minirator Testsignalgenerator von NTi.

Der Minirator von NTi generiert ein passendes Testsignal für die Messung mit dem XL2

Vor der Messung müssen sich XL2 und Minirator zunächst einmal synchronisieren. Mittels XLR-Kabel verbindet man den Eingang des XL2 mit dem Ausgang des Minirators und wählt am Minirator das passende Testsignal für die Delay-Messung aus. Es handelt sich dabei um einen kurzen Impuls. Der XL2 startet automatisch die Synchronisation und man hat nun fünf Minuten Zeit, um die Messung durchzuführen.

Vor der Messung müssen sich XL2 und Minirator synchronisieren

Zum Messen steckt man ein Messmikrofon in den XL2 und führt zunächst eine Messung des Hauptsystems in Hörreichweite der Delay Line durch. Dazu eignet sich ein Zuschauerplatz nahe der Delay Line. Diese Messung wird im XL2 gespeichert. Nun führt man am gleichen Ort eine Messung der Delay Line durch. Das werden nur wenige Millisekunden sein, die der XL2 anzeigt.

Nun setzt man das Messmikro ein und beginnt mit den Messungen

Aus beiden Messungen und der eingegebenen Temperatur wird nun die resultierende Verzögerungszeit für eben diesen Zuhörerplatz errechnet und angezeigt. Außerdem zeigt der XL2 die errechnete Entfernung in Metern an. Ein sehr praktisches, aber auch leider recht teures Tool, das aber auch weitere Funktionen wie Polaritätsmessung, FFT, RTA und vieles mehr enthält.

Das Ergebnis kann nun in das Digitalpult oder den Controller übertragen werden. Nicht vergessen, noch den Haas-Anteil von knapp 20 Millisekunden aufzuschlagen!

Es geht aber auch mit einer kostenlosen Software wie Room EQ Wizard (REW). Die Vorgehensweise ist recht ähnlich. Da REW die Impulse beider Lautsprecher am Messplatz aufzeichnet, kann die zeitliche Differenz zwischen beiden Impulsen abgelesen werden. Auf diese schlägt man dann noch circa 20 Millisekunden nach Haas auf.

Hilfe, ich habe keinen Taschenrechner

Keine Sorge: Mit etwas leichter Grundschulmathematik und unserem Gehör kommen wir verdammt weit. Für eine Raumtemperatur von ca. 20°C  dürfen wir annehmen, dass der Schall für 1 Meter Wegstrecke circa 3 Millisekunden benötigt. Multipliziert also einfach die Entfernung mit 3 und stellt das Ergebnis entsprechend am Delay ein. Auch hier dürfen wieder knapp 20 Millisekunden nach Haas aufgeschlagen werden. Kontrolliert nun das Ergebnis mit einem impulshaften Testsignal, das gleichzeitig auf beiden PAs wiedergegeben wird und korrigiert gegebenenfalls nach Gehör die Delay-Zeit. In der Tat wird man mit dieser Faustregel in den meisten Situationen auskommen. Bei Festinstallationen würde ich meine Entscheidungen dem Auftraggeber gegenüber damit allerdings nicht begründen wollen und lieber zur Feststellung und Dokumentation auf Messungen zurückgreifen.

Weitere Überlegungen zur Delay Line

Alle bisherigen Herangehensweisen berücksichtigen die Laufzeit des Schalls für einen bestimmten Punkt im Raum. Doch wie sieht es mit den anderen Punkten aus? Schließlich sind ja nicht alle Zuhörer an einem Punkt komprimiert? Hier wird es komplex und bei genauerer Betrachtung wird klar, dass die zuvor gefundene Verzögerungszeit nicht für alle Punkte im Raum gleich sein kann und Schall sich nun einmal nicht nur in gerader Linie ausbreitet. Dennoch bewegen wir uns hier in einem Rahmen, in dem in der Regel ein korrekt eingestelltes Delay für die meisten Zuhörer den gewünschten Effekt bietet. Schwierig wird zuweilen für einige Zuschauerplätze der „Haas-Anteil“ von ca. 20 Millisekunden, der dafür sorgen kann, dass an einigen Plätzen ein Echo wahrgenommen wird, weil hier die Laufzeit aus dem „Ruder“ läuft. Gegebenenfalls muss dann eine kürzere Delay-Zeit gewählt werden.

Wichtig ist auch, dass die Lautstärke der Delay Line gut gewählt ist. Schließlich geht es hier nicht um eine neue Haupt-PA, sondern um das Auffrischen des Signals von vorne. Damit ein einmal gefundenes Verhältnis zwischen beiden PAs nicht ruiniert ist, sobald der Techniker die Gesamtlautstärke der Front-PA am Master-Regler verändert, muss der Bus oder die Matrix, über die die Delay Line angesteuert wird, unbedingt in Abhängigkeit der Master-Lautstärke agieren, sodass das Lautstärkeverhältnis zwischen Front und Delay Line bei jeder Front-Lautstärke gewahrt bleibt.

Und was ist mit den vielen lauten Instrumentenverstärkern, dem Drum-Set und den Monitoren auf der Bühne? Auch hier besitzt jede einzelne Schallquelle eine eigene Laufzeit und je lauter es auf der Bühne zugeht, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass durch die verschiedenen Laufzeiten das Gesamtergebnis negativ beeinflusst wird. Einige Tontechniker verzögern bei sehr großen Bühnen deshalb schon die PA um einige Millisekunden gegenüber den Monitoren auf der Bühne. Bei kleineren Bühnen besteht meistens die Möglichkeit, PA und Monitore in fast einer Linie aufzustellen. Problematisch sind oft hingegen Rückwürfe des durch die Monitore abgestrahlten Schalls durch die Wand hinter den Musikern. Dies gilt insbesondere für Zuschauer in den ersten Reihen. Durch das Abhängen mit Bühnenmolton und eine geschickte Aufstellung der Monitore kann hier aber schnell Abhilfe geschaffen werden.