PA-Anlagen Messung: Betrag, Phase und Laufzeit

Um das Thema „Phasengang“ ranken sich viele Gerüchte und Halbwahrheiten: Lässt sich ein – wie auch immer gearteter – Effekt nicht so richtig erklären, wird gerne „die Phase“ als mögliche Ursache ausgemacht. Was steckt nun wirklich dahinter? Schauen wir uns dazu zunächst die deutlich vertrauteren Amplitudenverläufe am Beispiel des KS28 mit Controller an, den wir hier komplett getestet haben.

Die rote Kurve aus Abb. 8 zeigt den bekannten Frequenzgang des Subwoofers KS28 pur ohne jegliche Filter. Im selben Diagramm finden sich auch die Filterfunktionen des Controllers mit Hoch- und Tiefpassfiltern 4. Ordnung und einige Bellfilter zur Anpassung des Frequenzgangs. Als Gesamtresultat stellt sich ein Frequenzgang entsprechend der grünen Kurve ein. Zum Amplitudenverlauf gehört aber auch noch ein Phasenverlauf.

Die zugehörigen Kurven zeigt Abb. 9 in den entsprechenden Farben. Der Lautsprecher verhält sich wie ein Hochpassfilter 4. Ordnung mit 360° Phasendrehung und der Controller bewirkt mit je einem Hoch- und einem Tiefpass 4. Ordnung zweimal 360° Phasendrehung. Beides zusammen bedingt 3 × 360° Phasendrehung im Arbeitsbereich des Subwoofers.

Wenn man sich die Auswirkungen eines Amplitudenganges noch recht leicht vorstellen kann, wird es bei der Phase schon sehr schwierig. Etwas anschaulicher ist hier die Gruppenlaufzeit.

Die aus den Phasengängen in Abb. 9 resultierenden Gruppenlaufzeitkurven zeigt Abb. 10. Berechnet wird die Gruppenlaufzeit als „negative Ableitung der Phase nach der Frequenz“: Je steiler die Phase fällt, umso größer ist die Gruppenlaufzeit.

Damit stellt sich die Frage: Wie kann man sich die Gruppenlaufzeit vorstellen? Der Name bringt es schon auf den Punkt: Der Energieschwerpunkt einer Frequenzgruppe verzögert sich.

Abbildung 11 veranschaulicht das anhand zweier Sinusbursts, die beide über das System mit der Gruppenlaufzeit aus Abbildung 10 übertragen werden.

Oben sind die Originalsignale dargestellt, unten nach der Übertragung über das System aus Subwoofer und Controller. Der blaue Sinusburst mit der tieferen Frequenz zerläuft und sein Energieschwerpunkt verschiebt sich deutlich nach hinten. Der rote Burst bleibt dagegen nahezu unverändert.

Die hier zu erkennende zeitliche Differenz der Energieschwerpunkte, die durch die Übertragung über das System entsteht, entspricht der Gruppenlaufzeitdifferenz zwischen diesen beiden Frequenzen. Diese Zusammenhänge sind aus der Filtertheorie bedingt und nicht spezifisch für diesen Lautsprecher.

Möchte man die Gruppenlaufzeit und die Phasendrehung verringern, dann bleibt nur, die Filtersteilheiten zu reduzieren oder auch von Bassreflex auf geschlossene Gehäuse zu wechseln. Beides ist jedoch für einen PA-Subwoofer keine ernsthafte Option.

Für den KS28 Subwoofer lässt sich somit festhalten, dass sich die aus der Filtertheorie bedingte minimale Phasendrehung für dieses Funktionsprinzip eines Bassreflexgehäuses mit zusätzlichem elektrischen Hochpassfilter 4. Ordnung hier wieder findet. Durch die tiefe untere Eckfrequenz stellt sich der Gruppenlaufzeitanstieg besonders heftig dar. Für einen PA-Subwoofer ist das jedoch der einzige in der Praxis gangbare Weg.