Workshop: Limiter einstellen, Lautsprecher schützen

Lautsprecher sollten vor dem „Abrauchen“ geschützt werden, also lieber einen Limiter einsetzen

Spätestens wenn man als Band oder DJ eine PA-Anlage sein Eigen nennt, sollte man sich mit dem Thema auseinandersetzen: den Limiter richtig einstellen, also wie limitiere ich meine Lautsprecher sinnvoll und schütze sie vor Zerstörung? Frei nach dem Motto, wenn die Endstufe rot blinkt und der Lautsprecher schreit, dann lieber ein bisschen weniger. Aber es geht auch professioneller. Zugegeben, das Thema ist nicht in zwei Sätzen erklärt und enthält auch ein paar kleine Rechenaufgaben. Aber mit dieser Anleitung sollte es problemlos zu schaffen sein, die nötigen Schritte bei der eigenen Anlage vorzunehmen.

Ist ein Limiter in jedem Fall notwendig?

Zu allererst kommt vielleicht die Vermutung auf: „Wenn Endstufe und Lautsprecher die gleiche RMS-Leistung haben – dann brauche ich doch keinen Limiter, oder?“ Leider falsch. Denn für einen kurzen Moment kann auch diese vermeintlich schwache Endstufe eine Spannung abgeben, die den Lautsprecher zerstört. Eine Endstufe kann tatsächlich deutlich mehr Leistung umsetzen, als die Herstellerangabe vermuten lässt. Zwar geht das mit erheblichen Verzerrungen einher, aber das macht die Problematik eher schlimmer. Und es kommt noch besser. Ein Kollege sagte mir mal „Ich zerstöre dir deinen 300 W Lautsprecher auch mit einer 150 W Endstufe, wenn ich will.“ Und er hat leider Recht. Wenn bei dieser schwachen Endstufe der Eingang stark genug übersteuert wird, kommt am Ende nahezu ein Rechteck-Signal raus. Das mögen Lautsprecher gar nicht. Auch die Ausgangsleistung wird in diesem Szenario mehr als 150 W betragen. Wie wir es auch drehen und wenden – wenn uns unsere Lautsprecher etwas wert sind, müssen wir limitieren.

Den Limiter richtig einstellen – der Beispielaufbau

Stellen wir uns folgende Szenario vor: Band auf der Bühne, Passiv-PA mit zwei 18er Bässen und 12er Tops, zu Tops und Subs jeweils eine passende Stereoendstufen, vorgeschaltet natürlich ein Controller, aktive Bühnenmonitore, kleines Digitalpult.

Zuerst möchten wir die Front-PA schützen. Auf unserem 12″ Lautsprecher steht:

• Belastbarkeit 350 W (RMS) / 1400 W (Peak)
• Impedanz 8 Ohm

Was bedeuten nun die 2 verschiedenen Leistungsangaben? RMS steht für „Root Mean Square“, zu Deutsch quadratisches Mittel. Und noch einfacher gesagt: Wie viel Leistung fließt durchschnittlich durch die Schwingspule. Die RMS-Angabe repräsentiert also nichts weiter als die thermische Belastbarkeit unseres Lautsprechers. Denn letztendlich ist die Schwingspule ein Draht, der heiß wird, wenn Strom hindurch fließt. Ob die Leistung sich dabei gleichmäßig über die Zeit verteilt wie bei einem Rauschen oder in kurzen starken Schüben wie bei einer Bassdrum fließt, ist für die Spule und ihre Wärmeentwicklung gleichbedeutend. Die Peak-Belastbarkeit repräsentiert hingegen einen dieser kurzen Schübe. Denn unendlich stark darf so ein kurzer Impuls natürlich auch nicht sein, sonst geht es euch wie Marty McFly in der Anfangsszene aus „Zurück in die Zukunft“:

Spaß beiseite, irgendwann ist der Hub natürlich so groß, dass die Membran anschlägt und der Lautsprecher mechanisch beschädigt wird. Ein solcher Schaden kann sehr plötzlich eintreten. Eine thermische Überlast hingegen tritt eher langsam und schleichend ein, kann aber natürlich genauso tödlich enden. Die Spule kann regelrecht schmelzen und im Magnetspalt festbacken. Folge: Der Lautsprecher steht und schweigt für immer.

Was ist der Unterschied zwischen Peak- und RMS-Limiter?

Eigentlich müsste sich also unser Limiter um zwei verschiedene Probleme kümmern. Er müsste kurze Peaks sofort abfangen, aber auch über einen langen Zeitraum überwachen, wie viel Leistung im zeitlichen Mittel geflossen ist und entsprechend langsame und lang anhaltende Pegelkorrekturen vornehmen. Letzteres kann nur ein echter RMS-Limiter. Leider sind diese Geräte nicht für jedermann erschwinglich. Hier müssen wir bei begrenztem Budget also einen Kompromiss machen. Dieser kann z. B. so aussehen, dass wir mit unserem Peak-Limiter auf den RMS-Wert des Lautsprechers limitieren, aber über die Attack-Zeit des Limiters noch kurze Pegelspitzen durchlassen. Mit der Overshoot-Einstellung mancher Limiter kann man sogar auf 4:1 limitieren, damit also die Peaks maximal die 4-fache Leistung haben. Das passt nicht nur zu unserem Beispiel, sondern zu fast allen Lautsprechern (Herstellerangaben beachten). Jedoch: Nicht alle Peak-Limiter lassen diese Einstellung zu.

Ein ebenfalls sinnvoller Kompromiss kann jedoch die Limitierung auf die doppelte RMS-Leistung sein – das bedeutet in Dezibel gesprochen einen Unterschied von 3 dB. So wird bei den meisten Lautsprechern die erlaubte Peak-Leistung zwar nur zur Hälfte erreicht (sicher ist sicher), aber auch die RMS-Leistung wird praktisch nie überschritten. Vorausgesetzt, wir nehmen ein durchschnittliches Musiksignal an, das einen Crest-Faktor von 3 dB nie unterschreitet. Der Crest-Faktor beschreibt die Differenz zwischen Peak- und RMS-Wert eines Signals. Je dynamischer ein Audiosignal ist, umso höher liegt dieser Wert. Und die genannten sehr niedrigen 3 dB schafft man erst mit einer reinen Sinusschwingung. Am nächsten heran kommt da in der Praxis ein langer kräftiger Basston eines Synthesizers, wie man ihn in elektronischer Musik findet. Wird die Schwingungsform jedoch zum Rechteck, kann der Crest-Faktor noch kleiner als 3 dB werden. Dann wird es mit unserem Kompromiss gefährlich. Dieser Fall sollte normalerweise aber nicht vorkommen. Klingt auch nicht gut. Nur eine heftige Übersteuerung im Signalweg, also menschliches Versagen, könnte ggf. dazu führen. Wenn man solche Fehler nicht unbedingt mit absichern möchte, ist man der Variante „Limitierung auf doppelte RMS-Leistung“ schon ganz gut bedient. Fun-Fact: Für einen besonders niedrigen Crest-Faktor von nur etwa 4 dB ist das 1997er Remastering des Stooges-Albums „Raw Power“ bekannt. Da war an das in Verruf geratene Album einer Band mit M noch gar nicht zu denken. Im Normalfall hat man bei Konservenmusik aber Werte von 6 dB und mehr. Für Live-Musik weit jenseits von 10 dB. Für diesen ausschließlichen Fall wäre also gar eine Limitierung auf den Peak-Wert des Lautsprechers denkbar. Hier muss man für sich entscheiden, welches Sicherheitsbedürfnis man hat. Für eine Anlage im Verleih sollte selbstverständlich mehr Sicherheit eingeplant werden als für eine ausschließlich eigenhändig bediente.

Ich entscheide mich an dieser Stelle dafür, den genannten Lautsprecher auf 700 W im Peak zu limitieren. Stelle aber fest, dass meine Endstufe an 8 Ohm laut Datenblatt 2x 1100 W liefert. Nun kann ich natürlich die meisten Endstufen nicht einfach bitten, etwas weniger Leistung abzugeben. Die Idee ist jetzt: Ich darf nur so viel Spannung in den Eingang der Endstufe schicken, dass am Ausgang nicht mehr Leistung anfallen kann als erlaubt. Die eigentliche Limitierung passiert also vor der Endstufe im Controller. Wir müssen am Ende daher gar nicht mit Leistungen, sondern mit Spannungen rechnen. Denn die Frage, die sich stellt, ist nun, wie viel Eingangsspannung darf ich der Endstufe maximal anbieten. Wir arbeiten uns dabei von hinten nach vorn.

Variante A: Erlaubte Eingangsspannung der Endstufe mit bekannter Verstärkung ermitteln

Rechnen wir also zunächst die Leistung, die am Lautsprecher umgesetzt werden darf, zurück in eine Spannung.

Und weil wir alles weitere in dB-Werten machen wollen, rechnen wir die ermittelte Spannung in den so genannten „absoluten Spannungspegel in dBU“ um. Das ist der schwierigste Teil, da man hier einen Taschenrechner mit Logarithmusfunktion benötigt. Diese findet man bei den meisten Apps unter „wissenschaftliche Ansicht“ oder indem man das Smartphone ins Querformat dreht.

Wenn wir nun die Verstärkung unserer Endstufe kennen, dann ist der Rest ganz einfach. Diesen Wert finden wir meist im Datenblatt unter der Bezeichnung Voltage-Gain. Falls nicht, muss der Rechenweg im nächsten Abschnitt genutzt werden. Wir haben aber Glück und für die Endstufe unserer Tops ist er bekannt. Wir haben einen Wert von 36 dB rausgesucht. Das heißt nichts weiter, als dass die Endstufe die Eingangsspannung um genau diesen Wert verstärkt (bei voll aufgedrehtem Pegelsteller an der Endstufe). Wenn wir also jetzt dafür sorgen wollen, dass am Ausgang der Endstufe nicht mehr als 39,7 dBU anliegen, müssen wir ihre Eingangsspannung auf

39,7 dBU – 36 dB = 3,7 dBU

begrenzen.

Die richtige Limiter-Einstellung finden

Die letzte Überlegung betrifft nun die eigentliche Einstellung am Limiter, in unserem Fall den PA-Controller. Für diesen Workshop habe ich mir den vielleicht meistverkauften Controller überhaupt ausgesucht. Den Behringer DCX 2496. Unseren Test dazu findet ihr hier.

Man kann alle Einstellungen auch direkt am Gerät vornehmen, aber damit es hier anschaulicher wird, zeige ich Screenshots der Remote-Software. Auf der Seite „Limiter“ kann ich für jeden der 6 Ausgänge ein anderes Limit setzen. Das ist natürlich sinnvoll, da für die Basslautsprecher später ein anderer Wert gesetzt werden muss als für unsere 12er Tops.

Doch die Werte am Controller werden nicht in dBU eingestellt, sondern in dBFS. Dabei stehen die Buchstaben FS für Fullscale. Es handelt sich bei dem DCX 2496 wie bei allen anderen gängigen Limitern um ein Gerät, in dem die Audioverarbeitung digital geschieht. 0 dBFS bedeuten, dass der Controller auf digitaler Ebene voll ausgesteuert ist. Pegel über 0 dBFS sind nicht möglich. Nun müssen wir nur noch wissen, welchen analogen Spannungspegel der Controller bei 0 dBFS am Ausgang liefert. Dazu konsultieren wir das Datenblatt des DCX.

Dort finden wir unter „Analog Outputs“ den Wert „Max. output level +22 dBU“. Würden wir also nun gar nicht limitieren, könnten bis zu 22 dBU in den Eingang der Endstufe gelangen. Das ist natürlich viel zu viel. Die Differenz zu unserem gewünschten Ausgangspegel von 3,7 dBU muss gebildet werden. Diese beträgt 3,7 dBU – 22 dBU = -18,3 dBFS

Damit haben wir unseren Wert für die Topteile ermittelt und stellen diesen wie folgt ein:

Die gleichen Schritte wiederholen wir für unsere 18er Bässe, wenn wir den Verstärkungsfaktor der Endstufe kennen. Aber weil das Leben nicht immer fair ist, haben wir in unserem Beispiel für die  Bass-Lautsprecher eine andere Endstufe im Einsatz, bei welcher der Voltage-Gain nicht im Datenblatt steht. Das habe ich mir für unser zufälliges Beispiel natürlich nicht ganz zufällig ausgesucht. Es ergibt sich hier ein anderer Rechenweg, den ich ebenfalls vorstellen möchte.

Variante B: Berechnung der Limiter-Einstellung mittels Eingangsempfindlichkeit der Endstufe

Wenn der Voltage-Gain im Datenblatt der Endstufe nicht zu finden ist, wird in jedem Fall die Eingangsempfindlichkeit oder „sensitivity“ erwähnt. Dieser Wert wird meist direkt in Volt angegeben, steht häufig auch auf dem Gerät, ist in manchen Fällen sogar umschaltbar. Bei unserer fiktiven Bassendstufe beträgt er 1,25 V. Außerdem kennen wir ihre Ausgangsleistung mit 2x 1200 W an 8 Ohm. Die Eingangsempfindlichkeit sagt uns, dass bei einem Eingangssignal von 1,25 V tatsächlich 1200 W am Ausgang anliegen. Nehmen wir an, wir möchten unseren Basslautsprecher auf 800W limitieren. Der schnellste Weg, dies zu berechnen ist, zuerst die Pegeldifferenz zwischen 800 W und 1200 W zu bestimmen. Das geht so:

Wir müssen also die Spannung auf den Wert begrenzen, der 1,8 dB niedriger liegt als die Eingangsempfindlichkeit der Endstufe. Dazu rechnen wir den Spannungswert für die Eingangsempfindlichkeit wieder um in dBU und können danach bequem die 1,8 dB abziehen. In seltenen Fällen steht der Wert bereits in dBU im Datenblatt. Dann entfällt natürlich der folgende Schritt. In allen anderen Fällen nutzen wir die bereits bekannte Formel:

Mit unserer gewünschten Pegelbegrenzung ergibt sich ein Wert von

4,2 dBU – 1,8 dB = 2,4 dBU

Nun erinnern wir uns, dass bei unserem DCX 2496 die 0 dBFS einem Ausgangspegel von 22 dBU entsprechen und stellen den Limiter ein.

2,4 dBU – 22 dBU = -19,6 dBFS

In der Software sieht das dann so aus.

Kür: Limitierung des aktiven Monitorlautsprechers am Pultausgang

Nun wollen wir aber endlich fertig werden und setzen noch schnell ein Limit für den aktiven Bühnenmonitor, der am Aux-Weg des Pultes hängt. Ich habe mir das mittlerweile recht populäre Behringer XR18 ausgesucht, das sicher viele Musiker nutzen.

Keine Frage, viele aktive Bühnenmonitore haben bereits einen eingebauten Limiter, der den Lautsprecher effektiv vor Schäden schützt. In diesem Fall, und wenn ich dem Hersteller traue, kann ich mir eine Limitierung des Pultausgangs sparen. Wenn man dennoch limitieren will oder muss, ist es bei einer Aktivbox etwas anders. Auch hier gibt es eine Eingangsempfindlichkeit. Diese sollte am Eingang des Aktivlautsprechers nicht überschritten werde. Bei einigen Geräten ist diese auf den beliebten Normübergabepegel von +4 dBU eingestellt. Aber Vorsicht, viele Aktivboxen haben am Regler für die Eingangsverstärkung eine Mittelstellung, bieten aber die Möglichkeit noch weiter im Uhrzeigersinn zu drehen. Dadurch wird zusätzlich verstärkt. Einige Lautsprecher halten sich auch gar nicht an die Norm und geben im Handbuch dann zumindest die Werte an. Hier ist es also wichtig, genau nachzulesen und nachzudenken, welchen Pegel der Lautsprecher bei welcher Einstellung maximal erwartet.

Bei meinem Monitorlautsprecher lese ich im Handbuch, dass die Eingangsempfindlichkeit bei Linksanschlag +9 dBU und bei Rechtsanschlag -3 dBU ist. Auch so etwas gibt es. Natürlich muss ich vom schlimmsten Fall ausgehen, dass jemand die Box voll aufdreht. Also limitiere ich später den Aux-Weg auf -3 dBU.

Unser XR18-Pult funktioniert intern auch digital. Aber Vorsicht, die Pegelanzeigen zeigen hier im Gegensatz zu unserem Controller keine dBFS an. Sie sind analogen Pulten nachempfunden, bei denen man durchaus auch über 0 dB pegeln konnte, ohne dass es sofort Verzerrungen gab. Beim Digitalpult wird das Verhalten der alten Pegelanzeigen nachempfunden, indem man einfach einen großzügig dimensionierten „geheimen“ Headroom reserviert. Dieser ist oft 20 dB oder noch mehr. Das heißt, wenn unser Digitalpult 0 dB anzeigt, rechnet es intern vielleicht im Bereich -20 dBFS. Nur so ist es überhaupt möglich, dass unser Metering bei XR18 bis +10 dB geht und diese Pegel auch noch verzerrungsfrei wiedergegeben werden können. Wie groß der Headroom tatsächlich ist, muss uns aber nicht interessieren. Wir werfen einen Blick ins Manual des XR18.

Unter „Output Characteristics“ finden wir den Wert „output level nominal“. Und dort steht +4 dBU. Das heißt nichts weiter, als dass die Anzeige 0 dB im Metering des Pultes eine tatsächliche Ausgangsspannung von +4dBU zur Folge hat. Da wir auf -3 dBU limitieren wollen, subtrahieren wir

-3 dBU – 4 dBU = -7 dB

Wir müssen also im Pult einen Limiter bei -7 dB setzen. Das sieht dann so aus:

Wie man sieht, nutze ich hier den Standard-Kompressor, den das Pult in unserem Aux-Weg „Bus 1“ anbietet. Ich lege den Threshold-Wert auf -7 dB fest, wie berechnet. Damit daraus ein Limiter wird, stelle ich die Ratio auf den höchstmöglichen Wert, häufig wird dort das Unendlich-Zeichen zu finden sein, bei diesem Pult ist es eine Ratio von 100:1, was de facto einem Limiter entspricht. Die Release-Zeit habe ich hier mit 20 ms etwas höher eingestellt, da wir hier eigentlich auf den RMS-Wert limitieren und noch etwas Peak-Reserve haben.

Erwähnenswertes

Ich hatte anfangs darauf hingewiesen, dass auch Endstufen, deren Leistungsangabe unter der Belastbarkeit des Lautsprechers liegen, limitiert werden müssen. Grundregel ist: Wir limitieren immer auf den kleineren Wert, also in diesem Falle die Leistung der Endstufe. Oder alternativ direkt auf ihre Eingangsempfindlichkeit. So wird ein Clipping der Endstufe vermieden.

Wer nicht gern selbst rechnet, dem kann geholfen werden. Unter anderem hat Benjamin Jobst auf seiner Seite ein Tool veröffentlicht, das einem die eigentlichen Rechenschritte dieses Workshops abnimmt. Mit den nun bekannten Begriffen und Konzepten, sollte die Nutzung des Tools leicht von der Hand gehen.