Trinnov WaveForming – die neue Ära des Bass-Erlebnisses im Heimkino
Dieser Text ist eine freie, komprimierte und neu gegliederte Übersetzung des Whitepapers von Trinnov zum Waveforming. Die enthaltenen Grafiken stammen ebenfalls aus diesem Whitepaper.
Quellenangabe: https://www.trinnov.com/en/subwoofer-guidelines/
Hintergrund: Der Bass im Heimkino als „Problembär“ – und bisherige Lösungsansätze
Im Idealfall würde ein Heimkino über alle Hörplätze hinweg ein einheitliches akustisches Erlebnis bieten. In der Praxis ist das bis dato leider nicht möglich. Die größte Herausforderung dabei besteht bei Frequenzen unter 100 Hertz, da deren Abstrahlung und Verbreitung sehr stark vom Raum dominiert wird.
Aufgrund von Schalldruck-Maxima und -Minima kommt es aber zu großen klanglichen Unterschieden im Bass an den verschiedenen Hörpositionen.
Des Weiteren hat man mit zahlreichen Reflexionen und langen Nachhallzeiten von Raummoden zu kämpfen. Diese reduzieren einen Großteil der möglichen Dynamik und kaschieren Details, die man gerne genießen würde.
Herkömmliche passive Lösungen mit Absorbern erfordern riesige Volumina für Dämmwolle & Co., um bei niedrigen Frequenzen effektiv zu sein. Eine solch große Fläche ist nur in Ausnahmefällen räumlich realisierbar. Andere Ansätze, wie z. B. Bassfallen, sind in der Regel nur bei bestimmten Frequenzen wirksam und deshalb als Breitband-Lösung unpraktisch. Meist sind rein passive akustische Maßnahmen für tiefe Frequenzen im Heimkino unzureichend.
Um dieses Problem anzugehen, setzen Heimkino-Spezialisten zusätzlich zu passiven Maßnahmen mehrere Subwoofer ein, die nach bestimmten Regeln aufgestellt werden. Ziel ist es, die Raummoden in den Griff zu bekommen und die Nachhallzeiten im Bass zu reduzieren.
Die Trinnov-Forschung hat gezeigt, dass einige Ansätze zwar die Wirkung von Raummoden abschwächen können, aber die eigentliche Ursache (Wellen-Interferenzen) nicht angehen. Es kommt zu unerwünschten Neben-Effekten, das eigentliche Problem bleibt bestehen.
Die Ausnahme ist das Double Bass Array (DBA) mit zwei Woofer-Arrays: eines an der Frontwand, eines an der Rückseite des Raums. Ersteres gibt Schall ab, zweiteres absorbiert den Schall. Das emittierende Array erzeugt eine ebene Welle, um die Interferenzen im Raum zu reduzieren, die durch Reflexionen an den Seitenwänden, der Decke und dem Boden entstehen. Das absorbierende Array versucht, die Rückwandreflexion mit demselben, aber invertierten und zeitverzögerten, Signal auszulöschen.
Dieser Ansatz liefert jedoch nur unter idealen Bedingungen gute Ergebnisse, die in der Praxis schwer zu erreichen sind. Zu oft sind die Wände nicht reflektierend genug, um eine gute ebene Welle zu erzeugen. Außerdem hat sich die Welle, die die Rückwand erreicht, auf ihrem Weg durch den Raum verändert, weil die Wände nicht steif genug oder nicht parallel genug sind, um die Welle richtig zu leiten. Und schließlich ändert sich die Art der Welle, wenn sie auf Möbel, Sitzreihen usw. trifft.
Das neue WaveForming™ von Trinnov
Der neue Trinnov-Ansatz zur optimierten Bass-Performance im Heimkino ist vielseitiger und effizienter als bis dato entwickelte Technologien.
Im Folgenden werden die wichtigsten Aspekte des WaveForming sowie einige Empfehlungen zur optimalen Nutzung dieser Technologie aufgeführt. Nicht beachtet werden dabei:
- Empfehlungen zum Typ und zur technischen Spezifikation des zu verwendenden Subwoofers
- Mittel zur Berechnung des Schalldruckpegels des WaveForming™-Systems auf der Grundlage der Fähigkeiten der einzelnen Subwoofer.
Die zwei Schlüssel-Faktoren des Trinnov WaveForming
- Im ersten Schritt werden sämtliche Informationen über das Moden-Verhalten des Raums (inkl. Veränderungen durch Objekte im Raum) gesammelt. Dazu wird das relevante akustische Feld des Hörbereichs in einem dreidimensionalen Gitter von verschiedenen Mikrofon-Positionen aus erfasst.
- Der WaveForming-Prozessor berechnet auf Basis der Messung Filter für jeden Subwoofer des Systems, um eine möglichst dichte und gleichmäßige Wellenfront im Hörbereich zu erzeugen. Dazu werden Filter berechnet, die auf alle Subwoofer beider Arrays (vorn und hinten) angewendet werden. So kann der Großteil der Raum-Reflexionen und Raummoden absorbiert werden
Die Vorteile des WaveForming
- Innovative Technologien wie „Acoustic Reshaping“, „Wavefront Synthesis“ und „Multi-Source-Multi-Controller-Optimierung“: Damit sind spezifische Filter für jeden Subwoofer möglich, die dazu beitragen, dass aus der Gesamtheit der Woofer EIN „idealer“ Subwoofer geformt wird.
- Maximale Homogenität des Hörfeldes in Zeit, Raum und Frequenz: Die komplexen Algorithmen sind deutlich mächtiger als klassische Gain-and-Delay-Filter.
- Anpassung an Raumdimension Wandbeschaffenheit, Raum-Objekte: Da die Filter aus dem vollständig vermessenen Hörfeld berechnet werden, passen sie sich an die physikalischen Eigenschaften des jeweiligen Raums an. So steuern sie das akustische Feld robust und effizient – selbst unter schwierigen Bedingungen wie einer nicht idealen Raumgeometrie.
- Ermöglichung unregelmäßiger Subwoofer-Layouts: z. B. muss die Anzahl der nach vorne abstrahlenden Subwoofer nicht gleich der Anzahl der nach hinten absorbierenden Subwoofer sein.
Beim Trinnov WaveForming wird jeder Subwoofer einzeln vermessen und optimiert, um dann in der Gesamtheit mit allen anderen Subwoofern das beste Ergebnis für alle Hörplätze zu erreichen. Dabei sind Abweichungen vom „Ideal-Gitter“ eines Double Bass Arrays möglich.
Regeln zur Raum-Erfassung mit dem Mikrofon
- Der Abstand zwischen dem vorderen Array und der Mess-Zone (sprich: dem Hörbereich) sollte mindestens 2 Meter betragen.
- Der Abstand zwischen der Mess-Zone und den übrigen Wänden sowie der Decke sollte mindestens 1 Meter betragen.
- Das Messgitter sollte mindestens 2 horizontale Ebenen haben, wobei die erste Ebene 1 Meter vom Boden entfernt sein sollte (typische Ohrhöhe für eine sitzende Person).
- Der maximale Abstand zwischen zwei benachbarten Mikrofon-Positionen sollte 1 Meter betragen.
- Eine gewisse Präzision bei der Platzierung dieser Mikrofone während des Messvorgangs ist wichtig, da der WaveForming-Algorithmus ein klares „Verständnis“ des dreidimensionalen Hörbereichs haben muss. Objekte im Raum und sogar der Raum selbst führen zu Veränderungen der Welle, während sie sich durch den Raum bewegt. Diese gilt es zu erfassen.
Grundsätzliches zur Anzahl und Anordnung der Subwoofer für das WaveForming
Es gibt insbesondere zwei Faktoren, die die empfohlene Anzahl von Subwoofern für einen bestimmten Raum bestimmen:
- Die Fläche der vorderen und hinteren Wände und damit das Raumvolumen insgesamt. Verständlicherweise werden für größere Räume mehr Subwoofer benötigt als für kleinere Räume.
- Die höchste Frequenz, die man kontrollieren möchte. Höhere Frequenzen bedeuten kürzere Wellenlängen, die wiederum engere Abstände zwischen den Subwoofern erfordern.
Die beste Empfehlung zum jetzigen Zeitpunkt ist:
- Verwende in jedem Array die gleichen Subwoofer, jeweils mit der gleichen Bandbreite/Frequenz-Abdeckung.
- Das hintere Array kann theoretisch aus Subwoofern mit geringerer Belastbarkeit als die vorderen Subwoofer bestehen.
Ideale Anordnung und Anzahl der Subwoofer
Die generell beste, reguläre Anordnung entspricht den Vorgaben zu DBA bzw. SBA.
Ideale Abstände der Subwoofer
Der Abstand zwischen einem Subwoofer und der angrenzenden Raumfläche (Wand, Decke oder Boden) beträgt die Hälfte des Abstandes zwischen ihm und dem benachbarten Subwoofer. Idealerweise sollte dieser Abstand sowohl horizontal als auch vertikal eingehalten werden.
- Die Breite der Wand (a) wird durch die Anzahl der Subwoofer in der Breite des Raums geteilt.
- Die Höhe der Wand (b) wird durch die Anzahl der Subwoofer in der Höhe des Raums geteilt.
Wenn also a die Raumbreite ist und wir C Säulen mit Subwoofern haben, ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Säulen a/C, und der Abstand von einem seitlichen Subwoofer zu seiner benachbarten Wand ist a/2C. Bei einer Höhe von b und R Reihen ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Reihen b/R, und der Abstand von der unteren/oberen Reihe zum Boden/zur Decke ist b/2R.
Ideale Anzahl von Subwoofern
Der Abstand zwischen den Subwoofern bestimmt die obere Grenzfrequenz, die als ebene Welle kontrolliert werden kann. Höhere Frequenzen besitzen kürzere Wellenlängen, und die emittierenden Subwoofer müssen einen bestimmten Teil dieser Wellenlänge voneinander entfernt sein, damit die ebene Wellenbildung gut funktioniert.
Wie man sieht, ist für gängige Keller-Heimkinos in Deutschland oft schon ein Layout mit 2 bis 3 Subwoofern vorne und 2 bis 3 Subwoofern hinten ausreichend.
Die obigen Abbildung gibt (grob) vor, wie viele Subwoofer man für eine obere Grenzfrequenz von 100 Hz benötigt. Aufgrund von Rundungsproblematiken bei der Daten-Eingabe (man gibt ja immer nur ganze Zahlen für Subs ein) ergeben sich Toleranzbereiche. Anmerkung Markus Wierl: Hier würde ich immer zur nächsthöheren Anzahl greifen!
„Ungleichmäßige“ Anordnungen von Subwoofern beim WaveForming
Es gibt im Gegensatz zu den starren Vorgaben bei SBA/DBA einige Variationen für das Waveforming, die etwas mehr Spielraum bei der Gestaltung des Raumes lassen:
Die Anzahl der (hinteren) Subwoofer des idealen Layouts kann bei Bedarf verringert werden. Der Leistungsverlust ist minimal bezogen auf die Gesamt-Performance. Bei der Reduzierung der Anzahl der vorderen Subwoofern ist mit mehr Qualitätseinbußen zu rechnen, das Ergebnis wird dennoch klar besser sein als ohne Waveforming-Anordnung.
Beim Waveforming müssen die vorderen und hinteren Arrays nicht übereinstimmen, solange sie in in sich gleichmäßig bleiben. Asymmetrische Arrays mit weniger hinteren Subwoofern ermöglichen es, die Anzahl der Subs und damit die Kosten zu reduzieren und gleichzeitig ein hohes Leistungsniveau beizubehalten.
Mehr als das: Bei 6 Subwoofern beispielsweise liefert ein 4-2-Layout oft eine bessere Performance als ein 3-3-Layout. Und bei 8 Subwoofern liefert eine 6-2-Anordnung oft eine höhere Leistung als eine 4-4-Anordnung. Das ist aber keine absolute Regel, da jede Situation von den spezifischen Raum-Eigenschaften abhängt.
Wichtig: Auch ein gewisses Maß an Subwoofer-Verschiebung innerhalb eines Arrays wird toleriert und manchmal sogar empfohlen: z. B. 3 Subwoofer in einer unregelmäßigen Dreiecksanordnung. Dieser Spielraum ist wertvoll, denn manchmal (Stichwort: Center) gibt es bestimmte räumliche Zwänge für die Platzierung.
Der folgende Abschnitt enthält die allgemeinen Richtlinien für die Reduzierung und/oder Verschiebung der Subwoofer. Die Prozent-Angaben beziehen sich immer auf die Abweichungen von Raum-Höhe bzw. Raum-Breite.
2-2-Anordnung
Dies ist die Minimal-Anordnung: 2 Subwoofer vorne und 2 hinten auf Mitte der Raumhöhe. Die gleichzeitige Verschiebung von Subwoofern in horizontaler Richtung sollte vermieden werden. Emittierende und absorbierende Woofer können jeweils in vertikaler Richtung verschoben werden, jedoch nicht mehr als 10 % von den Idealpositionen entfernt.
3-3-Anordnung
Dies ist die wohl gängigste Anordnung mit zwei 1×3-Arrays (z. B. eine Reihe mit drei Subwoofern an jeder Wand). Dabei kann die Anzahl der Subwoofer (hinten) um einen reduziert werden.
Der Idealzustand wäre die Anbringung in einer Reihe auf Mitte der Raumhöhe, hier sind allerdings mehrere Spielvarianten möglich.
Wenn nur der mittlere Subwoofer im 3er-Gitter verschoben wird, sind horizontal 10 % Abweichung von der Position möglich, vertikal sogar 30 %.
Wenn alle 3 Subwoofer in einer Linie verschoben werden, sind 5 % Abweichung von der Idealposition möglich. Bei den hinteren (absorbierenden) Woofern sind es dagegen schon 10 %.
Dreiecks-Anordnung: Die äußeren emittierenden Subwoofer können um 15 % von der Idealposition abweichen, der mittlere Subwoofer ebenso. Wählt man eine diagonale Anordnung, können linker und rechter (emittierender) Subwoofer um je 20 % nach oben bzw. unten von der Idealposition abweichen. Bei den hinteren Subwoofern ist die Toleranz mit jeweils 30 % Abweichung nochmal größer.
Toleranzen für hintere/absorbierende Subwoofer (3 Stück)
- +/- 10%, wenn alle absorbierenden Subwoofer nach oben oder unten verschoben werden
- +/- 30%, wenn sie ein Dreieck bilden
- +/- 30 %, wenn sie eine Diagonale bilden
Toleranzen für hintere/absorbierende Subwoofer (2 Stück bei 3×2-Anordnung)
Wenn die beiden hinteren Subs vertikal verschoben werden:
- +/- 10 %, wenn alle Subwoofer nach oben oder unten verschoben werden
- +/- 20 %, wenn sie eine Diagonale bilden
4-4-Anordnung
Im 4er Gitter können jeweils 2 Subwoofer 10 % von der Idealposition zueinander hin oder voneinander weg positioniert werden – horizontal wie vertikal. Trinnov empfiehlt, sie eher weiter voneinander zu enfernen.
Für die absorbierenden Subwoofer hinten sind nach gleicher Art Abweichungen von 15 % von der Idealposition möglich.
Auch bei Verschiebungen über Kreuz gelten die 10 % Abweichung von der Idealpositionen, entsprechend versetzt. Wenn der Hörbereich weit genug von der Decke entfernt ist (mit anderen Worten, wenn die Abtastzone näher am Boden als an der Decke liegt), dann ist eine trapezförmige Anordnung der Subwoofer vorzuziehen
Toleranzen für hintere/absorbierende Subwoofer
Hier gelten jeweils 15 % statt 10 % Abweichung von den Idealpositionen für alle aufgeführten Varianten.
6-6-Anordnung und Derivate
Die ideale Anordnung sind zwei 2×3-Arrays (z. B. zwei Reihen mit je drei Subwoofern auf jeder Seite).
Es gibt aber auch Möglichkeiten, die resultierenden 12 Subwoofer auf 10 oder 8 Subwoofer mit abgespeckten Layouts zu realisieren, z. B.:
- Vorne und hinten 5 Subwoofer: 3 in der oberen Reihe, 2 in der unteren Reihe – oder umgekehrt
- Vorne 6 und hinten 4 Subwoofer
- Vorne 5 Subwoofer (3 in der oberen Reihe, 2 in der unteren Reihe – oder umgekehrt) und hinten 4 Subwoofer
- Vorne 6 Subwoofer und hinten 2 Subwoofer
In den Fällen 6-4 und 5-4 sollten die vier absorbierenden Woofer an den regulären Positionen platziert werden.
Ob 3 oben und zwei unten oder umgekehrt besser ist, ist nicht explizit erwähnt, ich denke, das beide Varianten gleich gute Ergebnisse bringen.
Schlussworte von Trinnov
Trinnov wurde vor zwanzig Jahren gegründet, um grundlegende Forschungen darüber anzustellen, wie wir Menschen komplexe, dreidimensionale Klangfelder wahrnehmen. Ein großer Teil der frühen Forschung konzentrierte sich darauf, ein solches Klangfeld z. B. in einem Konzertsaal zu erfassen – mit dem Ziel, dasselbe Klangfeld in einem viel kleineren Raum zu Hause wiederzugeben. Der Optimizer ist in der Tat das Ergebnis dieser Forschung.
Es gab jedoch noch viel mehr über tiefe Frequenzen und ihre Wechselwirkungen mit diesen kleinen Räumen zu lernen. Viele Spezialisten haben die diesbezügliche Probleme entschärfen können, Trinnov möchte sie von Grund auf beseitigen.
Während unserer Forschung haben wir viel über die komplexe Funktionsweise von niedrigen Frequenzen in kleinen Räumen gelernt. Wir gehen davon aus, dass es fünf oder sogar zehn Jahre dauern kann, bis alle Technologien, die aus dieser Forschung hervorgegangen sind, umgesetzt werden. Es liegt also noch ein weiter Weg vor uns.
Wir gehen davon aus, dass die besten Umsetzungen des WaveForming immer eine gewisse Ähnlichkeit mit dem traditionellen Double Bass Array haben werden. WaveForming macht solche Entwürfe wesentlich flexibler und effektiver, indem es ein hohes Maß an „Intelligenz“ in seine ausgeklügelten Algorithmen einbaut. Aus diesem Grund haben wir uns entschlossen, zunächst diese „beste“ Implementierung von WaveForming vorzustellen: Wir möchten demonstrieren, was zum jetzigen Zeitpunkt dank dieses jahrelangen Forschungsprojekts möglich.
Dies ist erst der Anfang der technologischen Freigabe von WaveForming. Wir planen, die Möglichkeiten, die sich aus den gewonnenen Erkenntnissen ergeben, zu erweitern, einschließlich neuer Funktionen, die sowohl für diese Front- und Heckbass-Arrays als auch für andere, weniger anspruchsvolle Systemdesigns gelten. Die leistungsstarke PC-basierte Signalverarbeitung, die durch unsere einzigartige Hardware-Plattform ermöglicht wird, erlaubt es uns, diese Funktionen zu entwickeln und unseren Kunden über einfache Software-Updates zur Verfügung zu stellen. Dies bestätigt unsere Entscheidung von vor vielen Jahren, einen weniger ausgetretenen Pfad zu beschreiten.
Trinnov AV-Vorverstärker Altitude 16 und Altitude 32 zur Anwendung des WaveForming Algorithmus (ab 2024)
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