Wissen: Wie eine PA funktioniert, Beschallungsanlage

Eine ultra-kompakte Beschallungsanlage: das Megafon

Was macht eine PA überhaupt?

Eine PA, also Beschallungsanlage, ist für die verstärkte Wiedergabe von Schallereignissen wie Sprache oder Musik zuständig, um damit eine größere Menge Menschen zu erreichen. Daher auch der Name „Public Address System“. Eine einfache Beschallungsanlage kann aus einem Mikrofon, einem Verstärker und einem Lautsprecher bestehen. So ist ein Megafon eine ultra-kompakte und mobile Beschallungsanlage für die Übertragung von Sprache oder Signaltönen. Wenn auch die Sprachqualität nicht sonderlich hochwertig ist, erledigt es diese Aufgabe ganz vorzüglich, weshalb es bis heute eingesetzt wird.

Das Megafon können wir sehr gut als Blaupause für eine funktionierende PA verwenden, denn die drei wesentlichen Komponenten sind vorhanden:

1. Schallwandler (z. B. ein Mikrofon)
2. Verstärker
3. Lautsprecher

Eine PA nimmt also ein Schallereignis, wandelt dieses in eine kontinuierliche elektrische Spannungsänderung um, verstärkt diese Spannung und leitet es an einen Lautsprecher weiter, der daraus wieder Luftschall macht.

Dieser Grundgedanke von der Funktionsweise einer PA ist bis heute gültig und eigentlich bei jedem Beschallungssystem vorzufinden. Der Schallwandler in Form eines Mikrofons kann alternativ durch einen Tonabnehmer ersetzt werden oder durch ein elektronisches Musikinstrument, das sofort ein elektronisches Signal an seinem Ausgang zur Verfügung stellt.

PA steht für Public Address, was soviel wie „Die Öffentlichkeit ansprechen“ bedeutet

Was verstärkt die PA?

Im Laufe der Zeit hat sich die PA von der reinen Sprachübertragung hin zur Musikübertragung gewandelt. Während bei der Sprachübertragung nur ein Signal gewandelt, verstärkt und anschließend über einen Lautsprecher wiedergegeben werden musste, kamen bei der Musikübertragung meistens mehrere Instrumente zusammen. Zwar hätte man diese auch mit einem einzigen Mikrofon übertragen können und hat das zu Beginn auch so gemacht, aber das Ergebnis war eher unbefriedigend. Es musste also eine Möglichkeit gefunden werden, mehrere Mikrofone anzuschließen und deren Signale zu mischen, bevor sie dann verstärkt und gemeinsam über einen Lautsprecher wiedergegeben werden. Das Mischpult war geboren. Wir können anhand unserer Liste von oben diese nun ergänzen und die Aufgaben einer PA wie folgt definieren:

1. Schallwandlung
2. Mischen von Schallereignissen
3. Verstärken
4. Wiedergeben von Schallereignissen

Mit diesen vier Punkten haben wir die Aufgabe und den Funktionsumfang eines PA Systems ausreichend beschrieben und wir können uns nun verschiedene Systeme näher anschauen.

Wie funktioniert die Schallwandlung?

Die Schallwandlung geschieht in der Regel mit einem Mikrofon. Sonderformen der Schallwandlung, zum Beispiel über Piezo-Tonabnehmer, lasse ich in dieser Betrachtung mal außen vor. Um Luftschall zu verstärken, gibt es akustische und elektronische Möglichkeiten. Die akustischen Möglichkeiten kennt jeder: Hände werden in Form eines Trichters vor den Mund gehalten, um die Richtwirkung und damit die Reichweite des Schalls zu erhöhen. Eine „Flüstertüte“, der Vorläufer des Megafons, funktioniert genau so. Ein metallener Trichter wird vor den Mund gehalten und verstärkt somit den Luftschall.

Was braucht man alles für eine PA?

Für eine größere Verstärkung wird allerdings Elektronik benötigt. Spannungen können auf viel einfachere Art und Weise verstärkt und abgesenkt werden als Schall. Es liegt also nahe, den Schall in Spannung umzuwandeln. Dazu nutzen wir seit Jahrzehnten das Mikrofon als Schallwandler. Mikrofone besitzen eine Membran, die mit der Frequenz der Bewegung der Luftmoleküle schwingt. Diese Membranbewegung wird dann in eine ihr äquivalente Spannungsänderung überführt. Das kann je nach Mikrofontyp unterschiedlich geschehen. Trotzdem liegt am Ausgang des Mikrofons immer eine Spannung an, die sich äquivalent zur Schwingung der Luftmoleküle vor der Membran verhält. Diese Spannung wird über ein Kabel an die nächste Station der PA übertragen.

Mikrofone sind zusammen mit dem Lautsprecher der wichtigste Teil der PA

Das Mischpult als Sammler

Die nächste Station besteht im einfachsten Fall aus einem Mikrofonvorverstärker, der die relativ geringe Spannung des Mikrofons auf ein höheres „Arbeitsniveau“ bringt. Da verschiedene Mikrofone und unterschiedliche Sprecher verschieden starke Spannungen produzieren, ist die Verstärkung des Mikrofonvorverstärkers in der Regel vom Anwender per Regler einstellbar. Außerdem benötigen wir einen Lautstärkeregler, um die Lautstärke des Mikrofons anheben oder absenken zu können. Dieser wird oft als Schieberegler ausgeführt und Fader genannt. In einem Mischpult finden wir mehrere Mikrofonvorverstärker und mehrere Lautstärkeregler für jedes angeschlossene Mikrofon. Man nennt die Kombination aus Mikrofonvorverstärker und Lautstärkeregler auch Kanal oder Kanalzug. Die Signale aus jedem einzelnen Kanalzug werden auf einem so genannten Bus durch Addition zusammengeführt, sodass am Ausgang des Mischpult nur ein einziges Signal zur Verfügung steht, das dann zur nächsten Station der PA weitergeleitet wird. Man nennt diesen Bus auch Summenschiene oder Main Bus.

Auch heute spielen analoge Mischpulte noch eine Rolle bei kleineren PAs

Da sich elektrische Spannung leicht verarbeiten lassen, bieten viele Mischpulte im Kanalzug noch weitere Optionen. Dazu gehört z. B. der Equalizer.

Elektrische Spannungen lassen sich speichern und verzögert wiedergeben. Auf diese Art und Weise entstehen verschiedene Effekte wie Echo, Chorus oder Hall. Mischpulte arbeiten oft mit mehreren Bussen, um Signale zu summieren und gemeinsam aus dem Pult herauszuleiten. Aux-Busse dienen z. B. der Weiterleitung an externe Effektgeräte oder zur Erstellung eines von den Fadern des Main Busses unabhängigen Mixes für die Musiker auf der Bühne (= Monitormix). Manchmal kann es auch sinnvoll sein, mehrere Signale zu einer Gruppe zusammenzufassen und gemeinsam zu regeln, bevor dann die gesamte Gruppe über den Main Bus weiter zur nächsten Station geschickt wird. Auch hier nutzt man Busse zum Zusammenfassen und Weiterleiten der Signale innerhalb des Mischpults. Eine solche Gruppe nennt man Subgruppe.

Im Master-Kanal eines Mischpults laufen alle Fäden zusammen: Hier treffen die Subgruppen-Busse und die von Effektgeräten zurückkommenden Signale (Aux Return Busse) wieder auf den Main Bus. Dort werden sie summiert und anschließend an den Ausgang des Mischpults geleitet. Von dort geht es weiter zur Verstärkung.

Verstärker aka Endstufe

Um einen leistungsfähigen Lautsprecher anzutreiben, sind die Ausgangsspannungen an den Mischpultausgängen in der Regel noch zu gering. Sie müssen weiter verstärkt werden. Der Verstärker direkt vor dem Lautsprecher wird auch als Endstufe bezeichnet – im Vergleich zu den Verstärkern vorher, die Vorstufe oder Vorverstärker genannt werden. Die Endstufe verstärkt das an ihr anliegende Signal um ein Vielfaches und gibt es an einen Lautsprecher aus.

Endstufen verstärken so stark, dass damit ein Lautsprecher angetrieben werden kann. In großen Beschallungsanlagen kommt für jeden Weg ein eigener Endstufenkanal zum Einsatz. Moderne Endstufen verfügen oftmals über DSP-Funktionen wie Limiter, EQs oder Frequenzweichen

Der Lautsprecher erzeugt Schallwellen

Der Lautsprecher hat die Aufgabe, an ihm anliegende elektronische Spannungen wieder in Luftschall zu überführen. Er arbeitet im Prinzip wie ein Tauchspulenmikrofon, nur umgekehrt. Durch die anliegende Spannung bewegt ein sogenannter Treiber eine Membran, die dann äquivalent zur anliegenden Spannungsänderung schwingt und durch ihre Schwingung die Luftmoleküle in Bewegung versetzt. Die schwingenden Luftmoleküle breiten sich aus und treffen schließlich auf das Trommelfell im Gehörgang.

Schwingende Luftmoleküle treffen durch das Ohr auf das Trommelfell im Gehörgang

Da verschiedene Frequenzen am besten von verschieden großen Membranen verarbeitet werden, setzt man heutzutage mehrere Treiber innerhalb des Lautsprechers ein, die jeweils auf die Wiedergabe bestimmter Frequenzbereiche hin optimiert sind. Für hohe Frequenzen sind das kleine und leichte Membranen, während für tiefe Frequenzen sehr große Membranen zum Einsatz kommen. Die anliegende Spannung muss also auf diese verschiedenen Treiber verteilt werden. Diesen Job übernimmt eine Frequenzweiche, die das Signal bei einer bestimmten Frequenz auftrennt und so zum Beispiel die höheren Frequenzbereiche an einen Treiber für den Hochtonbereich (Hochtöner) leitet und die mittleren und tieferen Frequenzen an den Basstreiber. Einen solchen Lautsprecher nennt man dann Zwei-Wege-Box. Es können auch mehr als zwei Wege angesteuert werden, z. B. mit Drei-Wege-Boxen für Höhen, Mitten und Bässe.

Die Crew beim Aufbau einer größeren PA in einer Halle

Eine solche Teilung des gesamten Frequenzbereichs in verschiedene begrenzte Bereiche kann passiv (ohne weitere Verstärkung) geschehen oder aktiv. Passive Frequenzweichen sind in der Regel fest in die Lautsprecherbox integriert und bestehen nur aus wenigen Bauteilen. Aktive Frequenzweichen benötigen eine Spannungsversorgung, denn sie können nicht nur das Signal beziehungsweise seine Bestandteile absenken, sondern auch verstärken.

Auch die PA einer Großveranstaltung besteht aus den Komponenten Mikrofon, Mischpult, Endstufe, Lautsprecher. Es ist alles nur größer dimensioniert

Aus analog wird digital

Bis weit in die 90er-Jahre hinein war die Signalkette einer PA fast ausschließlich analog. Zwar wurden Effektgeräte schnell digital, doch die Ein- und Ausgangssignale zum Effektgerät und zurück zum Mischpult waren analog. Das änderte sich alles mit der Verfügbarkeit schneller Prozessoren und mit den schnellen Fortschritten der Computertechnik.

Mit Spannungen kann man rechnen: analog wie digital. Beim analogen Rechnen entstehen aber bei jedem Rechenschritt unter Umständen Verluste, die sich als Signalverzerrungen bemerkbar machen. Viel einfacher ist es, wenn man die analogen Spannungsverläufe in abstrakte Zahlentabellen umwandelt. Zahlen können sehr einfach addiert, subtrahiert, multipliziert und dividiert werden. Auch das verlustfreie beliebige Kopieren spricht für die Verwendung von digitalen Daten anstelle analoger Spannungsänderungen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich Zahlen einfach speichern lassen.

Für diese Umwandlung werden die Amplituden analoger Signale anhand eines festen Zeitrasters, das ein Taktgeber vorgibt, vermessen und in eine Zahl umgewandelt, die dann in eine Tabelle geschrieben wird. Dies geschieht in einem Analog-Digital-Wandler, kurz A/D-Wandler genannt. Mit diesen Zahlentabellen kann gerechnet werden. Nun ergibt sich schon aus dem Prinzip der Wandlung ein Problem:

Eine solche Tabelle ist anders als eine kontinuierliche Spannungsänderung nicht kontinuierlich. Es fehlen die Übergänge zwischen zwei Werten. Man kann sich das so vorstellen wie in einem Koordinatensystem. Mehrere Punkte werden in einem Koordinatensystem eingetragen und miteinander verbunden. Je mehr Punkte zur Verfügung stehen, desto genauer wird das sich daraus ergebende Gebilde. Das gilt insbesondere für Kurvendarstellungen. Da es sich bei den Spannungsänderungen um Wechselspannungen, also Schwingungen handelt, trifft das Problem der Genauigkeit auch hier zu. Der Takt muss also möglichst fein sein, um sehr viele Proben (= Samples) des analogen Signals zu nehmen. Übliche Taktfrequenzen (= Sampling Rate) sind 44,1 kHz (CD-Qualität), 48 kHz (Film) oder höher.

Sampling bedeutet das Abtasten eines analogen Spannungsverlaufs. Durch eine feste Taktung entsteht eine Anzahl an Proben pro Sekunde. Dies ist nur der erste Schritt zur Gewinnung des Digitalsignals. Der zweite Schritt ist das Zuordnen der einzelnen Amplituden der Proben zu einem Wert auf der y-Achse. Hier muss gerundet werden. Es entstehen Stufen, die später bei der D/A-Wandlung wieder entfernt werden müssen

Das zweite Problem betrifft die Amplitude der Spannung. Nicht jede beliebige Amplitude kann in einen beliebigen Wert umgewandelt werden, da der Größe der entstehenden Werte Grenzen gesetzt sind. Ein Computersystem kann nur Werte einer definierten Größenordnung erarbeiten. Alle Werte, die größer sind, werden auf den höchsten zur Verfügung stehenden Wert abgerundet. So kann ein 8-Bit System nur die Zahlen von 0 bis 255 darstellen, also insgesamt 256. Bei einer Wechselspannung, die um eine Nulllinie herum schwankt, wären das dann die Zahlen -128 bis 127. Bei 16 Bit sind es immerhin die Zahlen -32.768 bis 32.767, also 65.535 insgesamt. Mit jedem weiteren Bit steigt die Menge der Zahlen stark an. Außerdem werden Amplituden gerundet, die zwischen zwei Stufen des Rasters auf der y-Achse fallen. Dadurch entsteht ein stufiges Abbild des ursprünglichen Kurvenverlaufs, das dafür aber einfach in eine digitale Zahlenfolge verwandelt werden kann. Für die spätere Wiederherstellung des kontinuierlichen Verlaufs ohne Stufen sorgt ein sogenanntes „Reconstruction Filter“, das durch Tiefpassfilterung die durch die Stufen entstehenden hochfrequenten Störanteile wieder entfernt.

Je feiner also das Raster ist, desto mehr entspricht das gewandelte diskrete Signal dem ursprünglichen kontinuierlichen Signal vor der Abtastung.

Auch ein digitales Mischpult verfügt unter der Haube über den gleichen Signalfluss, den man auch von analogen Mischpulten her kennt

Digitaltechnik spielt in heutigen PA-Systemen aufgrund der einfacheren Verarbeitung der Signale in Form von Daten eine wesentliche Rolle. Es findet direkt nach dem Mikrofon in der digitalen Stagebox oder im digitalen Mischpult eine Wandlung statt. Die Rückwandlung erfolgt nach der Verarbeitung entweder vor der Endstufe oder sogar in der Endstufe. Dennoch gibt es nach wie vor viele analoge Mischpulte am Markt. Da digitale Mischpulte jedoch die Speicherung aller Parameter ermöglichen und somit zusätzlichen Komfort bieten, verdrängen sie die analogen Pulte mehr und mehr vom Markt und Hersteller wie Behringer zeigen z. B. mit dem Behringer FlOW 8, dass selbst Kleinstmischpulte günstig digital verwirklicht werden können.

Behringer FLOW 8