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Ein neuer Standard

KV2 freut sich, nach Jahren der Forschung und Entwicklung, einen neuen Standard für die Live Sound Beschallung anzukündigen.

Super Live Audio oder kurz ‚SLA‘ wurde entwickelt, um von den KV2 angestrebten grössten Dynamikumfang mit geringsten Verlusten, welche das Signal beim Weg durch die Audiokette verändern, zu erreichen. Aber nebst den Technologien für die Verbesserung oder für die Lösung von Problemen bei bestehenden Systemen, setzt KV2 den Fokus auf neue Systeme, welche von Beginn weg über eine hervorragende Qualität verfügen.

Unser SLA Standard ermöglicht hohe Schallpegel auch in grossen Räumen und unter Beibehaltung der Dynamik und dem Originalklang. Es sind einige von KV2 bestimmte Faktoren, welche den SLA prägen und den Zuhörern einen verbessertes Hörerlebnis ermöglichen. Diese Faktoren beinhalten die Qualität der Elektronik (Einschwingzeit), digitale Abtastraten, Impulsantwort, Dynamikumfang und das akustische Systemkonzept.

Drei wesentliche Elemente des Klangs

Um die Prinzipien des SLA zu verstehen, müssen wir uns zuerst mit den drei hauptsächlichen Parametern des Klanges beschäftigen – Frequenz, Pegel und Zeit. Obwohl dies für viele Techniker zum Grundwissen gehört, sind wir doch überrascht, dass viele Menschen auf den Frequenzgang und den Schallpegel fixiert sind, ohne deren Relevanz für die gesamte Leistungsfähigkeit eines Beschallungsystems richtig zu verstehen. Alle drei Elemente müssen einwandfrei nachgebildet werden, um das Optimum bei der Wiedergabe zu erreichen.

Die Grenzen des menschlichen Gehörs bestimmen die Spezifikationen, welche für die Wiedergabe eines natürlichen und verfärbungsfreien Klanges erforderlich sind. Wie das Bild A zeigt, kann das durchschnittliche menschliche Gehör Schallpegel von 0 bis 120dB und eine Frequenzbereich von 20Hz bis 20kHz verarbeiten. Oft vergessen wird aber den Stellenwert der zeitlichen Auflösung.

Das menschliche Gehör hat eine zeitliche Auflösung (minimale Erkennungzeit zwischen 2 verschiedenen Klängen) von weniger als 10 Mikrosekunden, oder gemäss neuesten Studien sogar unter 5 Mikrosekunden. Viele räumliche Eigenschaften und auch die Richtwirkung des Sounds hängen direkt von dessen Zeitkomponenten ab. Aus diesem Grund sind sehr schnelle Schaltungen und hohe Abtastraten notwendig, um die unverfälschte Wiedergabe von Schallwellen, welche innerhalb von Mikrosekunden am Mikrofon eintreffen, zu gewährleisten.

Meistens drehen sich die Diskussionen über das Systemdesign um den Pegel und den Frequenzgang. Jedoch wird einer der wichtigsten Faktoren gerne vergessen – Zeit; respektive die Geschwindigkeit mit welcher die Elektronik und die digitalen Wandler ein akustisches Signal ohne Verluste verarbeiten können.

Definition und Distanz

Das Resultat einer schlechten Audiowiedergabe ist ein Mangel an Definition und Details, verursacht durch ungenügende Elektronik, schlechte Treiber oder ein unzulängliches Design. In einer Live Audio Situation ist aber auch die Distanz, bis zu welcher ein klar definierter Sound wiedergegeben werden soll von grosser Bedeutung. Für die Wiedergabe eines hochqualitativen Klangs in grosser Entfernung ist es erforderlich, dass die ganze Kette optimal arbeitet. Die Eigenschaften der Komponenten im Signalpfad sind verantwortlich für die Signalverluste. Das Beschallungssystem muss in der Lage sein, den Klang auf lange Distanzen und auch unter Berücksichtigung der Aufführungsumgebung einwandfrei zum Zuhörer zu übertragen und ihm ein tolles Hörerlebnis zu vermitteln. Mit der wachsenden Grösse eines Events steigen auch die Anforderungen für die Auflösung und den Dynamikumfang. Diese Faktoren werden durch Elektronik, digitale Abtastraten und die akustische Ausführung bestimmt.

Per Definition ist der Dynamikumfang das Verhältnis vom leisesten zum lautesten Ton. In diesem Zusammenhang ist zu sagen, dass die verschiedenen Signale auf einer Bühne von der Hörschwelle bis zur Schmerzgrenze von 120dB reichen, und der jeweilige Toningenieur ist dazu angehalten, alles korrekt wiederzugeben. Darum ist auch bei hohen Schallpegeln von grosser Wichtigkeit, dass ein schwächeres Signal detailliert wiedergegeben wird. So sollen zum Beispiel die Blasgeräusche am Mundstück einer Querflöte zusammen mit einem lauten Schlagzeugset trotzdem deutlich hörbar bleiben.

Der maximale Schalldruck ist nicht notwendigerweise die einzige Voraussetzung für einen grossen Dynamikumfang. In Wirklichkeit erzeugen viele Systeme bei hohem Schalldruck auch ein grosses Mass an nichtharmonischen Verzerrungen. Obwohl ein hoher Schalldruck vorhanden ist, werden doch schwächere Signale im Hochtonbereich durch die Verzerrungen verdeckt. Dadurch werden viele detaillierte Informationen ausradiert, und die Klarheit der Wiedergabe wird beeinträchtigt. Das so veränderte Signal verunmöglicht die Wiedergabe der Stimmung und der Atmosphäre einer Aufführung, vor allem bei grosser Hördistanz.

Auswirkung der Distanz auf die Übertragungsqualität für verschiedene Beschallungssysteme

Harmonische und nichtharmonische Verzerrungen

Die Nichtlinearität von akustischen Systemen erzeugt harmonische Verzerrungen in Abhängigkeit vom Quellensignal. Sowohl geradzahlige als auch ungeradzahlige Vielfache der Grundfrequenz werden generiert.

Ungeradzahlige harmonische Verzerrungen entstehen bei einer gleichzeitigen Störung von beiden Halbwellen eines periodischen Signals (typischerweise verursacht durch den Begrenzer einer Endstufe). Geradzahlige Verzerrungsprodukte werden durch die Beeinträchtigung einer Halbwelle eines periodischen Signal generiert (entstehen typischerweise bei hohen Schallpegeln, weil die 2. Harmonische direkt vom Pegel abhängig ist). Hörtests haben ergeben, dass die ungeradzahligen Vielfache ab 0,1% und die geradzahligen Vielfache ab 1% hörbar sind.

Nichtharmonische Verzerrungen haben keinen Bezug zum Originalsignal und entstehen durch die langsame Reaktion des Systems, verursacht durch eine ungeeignete Bedämpfung der akustischen Komponenten und Filter. Ein zusätzliches Störsignal entsteht also und kann das Verhalten des Systems in nicht voraussehbarer Weise beeinflussen. Typische Ursachen von nichtharmonischen Verzerrungen sind lange Einschwingzeiten, tiefe Abtastraten oder eine ungenügende DSP Leistung.

Nichtharmonische Verzerrungen können abhängig von ihrem Charakter extrem hörbar sein und werden fälschlicherweise oft als Hochtonanteil des Originalsignals interpretiert. In Wirklichkeit verdecken oder verwaschen diese Verzerrungen aber die Wiedergabe.

Ein Audiosignal setzt sich aus vielen Komponenten wie Harmonische, Rauschen und Störungen zusammen und ist sehr komplex. So kann man sagen, dass es sich nahezu wie ein Zufallssignal verhält. Daraus folgt, dass ein komplexes Signal auch einen komplexen Rauschpegel erzeugt, welcher wiederum zu Verdeckungen der Signale mit kleinem Pegel führt. Schon Verzerrungen von 1% eines komplexen Signals erzeugen einen Grundrauschpegel von -40dB. Praktische Tests haben ergeben dass wir mit einem 1kHz Sinuston von 0dB Stärke noch den Pegel eines weissen Rauschens von -70 bis -80 dB wahrnehmen. Damit erklärt sich die Maskierung von kleinen Signalen durch starke Verzerrungen (führt unter anderem zu Klangverfärbungen). Alle von KV2 eingesetzten Treiber und Komponenten haben einen sehr geringen Klirrfaktor (zum Beispiel kleiner als 0,1%, so dass man den Sänger atmen hören kann), und ermöglichen daher neue Hörerfahrungen mit einem Klang von klarem Charakter und grossem Dynamikumfang.

Dynamikumfang vs Digital Abtastung

Wie schon erwähnt kann Live Musik einen Dynamikumfang von 120dB abdecken. Um diese wiederzugeben, ist unter Berücksichtigung eines angemessenen Headrooms, eine Audioanlage mit einem Dynamikumfang von mindestens 130dB erforderlich. Für die meisten AD und DA Wandler, welche mit PCM (Pulse Code Modulation) und 24 Bit/96kHz arbeiten, ist es unmöglich, dies zu erreichen. Ferner kann gesagt werden, dass eine Abtastrate von 96kHz bei einem professionellen Wandler als adäquat gilt, solange das Signal nur harmonische Komponenten enthält; aber die meisten analogen Signale haben komplexe Strukturen und Obertöne, so dass sie als Zufallssignale betrachtet werden sollten. Das Spektrum eines zufälligen Signals ist unendlich breit, so dass beim Umwandeln eines Audiosignales von analog zu digital die Abtastrate so hoch wie möglich sein sollte, um das Signal mit voller Auflösung zu übertragen.

Bei KV2 wurde ein neuer Weg für die digitale Wandlung gesucht, um die anhaftenden Probleme von existierenden Systemen zu umgehen. Wir haben einen alternativen von Sony™ und Philipps™ entwickelten Wandlerprozess, genannt Direct Stream Digital oder DSD, ins Auge gefasst. Die Super Audio CD (SACD) basiert auf diesem digitalen Format, und anders als bei der PCM Wandlung, gründet diese Methode auf einem 1 Bit Sigma-Delta Wandler, welcher einen Datenstrom von Pulsen erzeugt. Die Amplitude der analogen Wellenform wird durch die Dichte der Pulse repräsentiert, und deshalb wird diese Methode Pulse Density Modulation (PDM) genannt. Der resultierende Bitstrom wird mit einer enormen Abtastrate von 2‘822‘400 (2.8224MHz) Abtastungen pro Sekunde codiert. Praktische Hörtests wurden von den Ingenieuren benutzt, um die minimal erforderliche Abtastfrequenz zu eruieren, und einen signifikanten Datenverlust zu verhindern. KV2 entwickelte eine Schaltung, basierend auf DSD, mit einer unglaublichen Abtastfrequenz von 20MHz, wobei ein 1 Bit Delta-Sigma PDM Wandler zum Einsatz kommt. Dies resultiert in einem siebenmal höheren Auflösungsvermögen als der 24bit/96kHz Standard.

Eine spezielle Kompanderschaltung ermöglicht 20 dB mehr Dynamikumfang im unteren Pegelbereich, so dass der maximale Bereich des Wandlers auch bei kleinen Pegeln genutzt werden kann. Die hybride Signalaufbereitung von KV2 nutzt die besten analogen und digitalen Technologien für die notwendigen Filter, Equalizer und Laufzeitkorrekturen unserer Lautsprechersysteme. Das Beste aus der analogen und digitalen Welt resultiert in einem unvergleichlichen Dynamikumfang und einer unverfälschten Audiowiedergabe.

Die Sprungantwort und die Fähigkeit, die Zeitkomponente eines Audiosignales korrekt zu reproduzieren, sind die Schlüssel für eine klare, räumliche und definierte Wiedergabe.

Elektronische Integrität

Die kürzeste mögliche Einschwingzeit einer Impulsantwort ist die Grundlage für die Wiedergabe eines hochauflösenden Audiosignals. Die Impulsantwort wird beeinträchtigt durch die Einschwingzeit von elektronischen Komponenten in analogen Schaltungen. Die Einschwingzeit von handelsüblichen elektronischen Komponenten beträgt ca. 10µs und ist damit zehnmal zu hoch. Die durch die Einschwingzeit verursachten Verzerrungen werden normalerweise von den Herstellern nicht diskutiert, da deren Tragweite nicht begriffen wird. Deshalb erscheinen diese Daten auch oft nicht in den technischen Spezifikationen der Produkte. Noch häufiger werden diese Verzerrungen fälschlicherweise als Bestand des Hochtonsignals vom Originalsound interpretiert, was sich speziell bei digitalen Technologien als helles, zischendes ‚high end‘ zeigt.

Die Abtastfrequenz bestimmt primär die Qualität der Impulsantwort in der digitalen Umgebung. In Bild B (unten) ist deutlich zu sehen, dass bei kommerziellen Systemen nicht die volle Auflösung erreicht wird. Die Einschwingzeit wird durch die Abtastrate im digitalen Bereich und von der Geschwindigkeit der analogen Schaltungen (Einschwingzeit), sowie von der akustischen Bewegung der Komponenten (Lautsprecherbewegung) beeinträchtigt. Die Abweichung vom Originalsignal durch die schlechte Impulsverarbeitung führt zu den besagten Verzerrungen. Systeme mit einer langen Einschwingzeit können keinen grossen Dynamikumfang und keine grosse Auflösung bieten. SLA Systeme beinhalten eine hybride Signalverarbeitung, mit einer für die Industrie federführenden Samplerate von 20MHz, und eine Impulsantwort mit einer Einschwingzeit von unter 1µs, was eine korrekte Audiowiedergabe mit der höchstmöglichen Auflösung und Definition ermöglicht.

Bild B

Verstärkung

KV2 entwickelt die Audioverstärker von Grund auf selbst. Dies erlaubt uns die Grösse und Art der Verstärker an die Anfordernisse der Wiedergabe des Höhen-, Mitten- und Bassbereichs anzugleichen. Basstreiber haben ihre eigenen speziellen Anforderungen. Sie sind gross, schwer und schwierig zu kontrollieren. Einerseits wird eine hohe Leistung gefordert, andererseits, mal abgesehen von Membranfläche und Gewicht, ist die Phasenverschiebung der Treiber eine ihrer wichtigsten Eigenheiten. Einfach gesagt: Die Phasenverschiebung entsteht, wenn der Strom durch die Schwingspule den Spannungsänderungen nicht folgen kann. Wenn man im Bereich der Phasenverschiebung 1000 Watt (100V bei 10A) in das Chassis einspeist, wären zwei weitere Verstärker bei halber Spannung erforderlich, um den Treiber zu kontrollieren. Ein Standardverstärker ist damit überfordert, und darum haben wir eine neue Verstärkertopologie, mit dem Fokus auf hohe Ströme und einem gutem Wirkungsgrad von über 90% zur Minimierung des Kühlaufwandes, entwickelt. Die Bauweise basiert auf einem Schaltnetzteil, welches die Spannung an der Last klein hält, aber höhere Ströme und einen vergrösserten Dämpfungsfaktor gegenüber Standard Klasse H Verstärkern ermöglicht. Für den Mittel- und Hochtonbereich verwenden wir Klasse A oder AB Verstärker, um eine optimale Tonqualität zu gewährleisten. Die Transparenz und Wärme dieser Verstärkertypen ist ideal. Unsere Konstruktion verwendet Mosfet Halbleiter in einer trafosymmetrierten Push-Pull Anordnung und trumpft mit einer kurzen Erholungszeit (recovery time) auf. Der Ausgangtransformator unserer Endstufen ermöglicht uns eine entscheidende Technik zur Kontrolle des Ausgangssignals und reduziert die Intermodulationsverzerrungen im Falle einer Übersteuerung.

Treiberkonstruktion

Eine der wichtigsten Anforderungen bei der Entwicklung eines Lautsprecherchassis ist die Vermeidung von ungewollten Resonanzen. Diese Resonanzen sind üblicherweise auf die mechanische Konstruktion des Treibers und das Versagen bei der Kontrolle der Membranbewegung zurückzuführen. Resonanzen vermindern die Auflösung, da sie schwächere Signale überdecken und neue, nicht dem Originalklang zugehörige Töne erzeugen. Bild C zeigt ein originales Sinussignal (rot, oben) mit einem scharf begrenzten Ende und dasselbe Signal (blau, unten), welches nach dem Durchlaufen einer Kette mit schlechter Kontrolle der Lautsprechermasse ein deutliches Ausschwingen des Sinussignals zeigt. Lautsprecher mit einem schlechten Impulsverhalten neigen zu Rückkopplungen.

Bild C

Jeder Lautsprecher in den KV2 Systemen wird spezifisch konstruiert. Dies führt zu einer Entwicklung von Komponenten, welche eine ultimative Lösung für eine bestimmte Anwendung liefern. Dies ist in den meisten Fällen nicht mit einem Lautsprecherchassis aus der Schublade zu erreichen. Eine der grössten Projekte war die Entwicklung der NVPD Reihe von Kompressionstreibern. Die Idee entstand während eines Essens in Italien, als wir die neue Nitratbeschichtung der Formel 1, welche eine extreme Festigkeit und Steifheit mit sich bringt, diskutierten. Die Beschichtung ist extrem leicht und darum sehr gut für Rennwagen; aber niemand hatte bisher an deren Einsatz im professionellen Audiobereich gedacht. Wenn die Membrane mit einem ,Nitrate Vapour Particle Deposition‘ (NVPD) beschichtet wird, verbessert sich das Resonanz- und Dämpfungsverhalten in drastischem Ausmass, was sich wiederum in einer Reduktion der Verzerrungen und einem erweiterten Frequenzgang manifestiert. Mit der Verwendung der grössten uns zur Verfügung stehenden Neodymium Antriebe und unserer erweiterten Phase-Plug-Technologie, gelang uns die Entwicklung von Hochtoneinheiten mit weniger als 0.03% Verzerrungen und einem geradlinigen Frequenzverlauf bis 22kHz.

Aktive Impedanzkontrolle

Auf Grund der exzellenten Impulswiedergabe verfügen SLA Systeme über eine aussergewöhnlich gute Rückkopplungsdämpfung. Die Kontrolle der Lautsprechermasse kann durch eine aktive Impedanzkontrolle der Lautsprecher (trans-coil) positiv beeinflusst werden. Das System nutzt eine zweite, stationäre Spule, welche die Induktanz nahezu auf null reduziert, und dadurch auch die Impulsantwort des Chassis drastisch verbessert. Die Induktanz ist der Hauptgrund für ungeradzahlige Verzerrungen. Ungeradzahlige Verzerrungen sind viel besser hörbar als geradzahlige und klingen auch unmusikalischer. Bild D zeigt die Wirkung von AIC (Actice Impedance Control).

Bild D

Kleine Induktanz = Wenig ungeradzahlige Verzerrungen

Bei der aktiven Impedanzkontrolle handelt es sich um eine zusätzliche, fixierte, mehrlagige Spule, welche sich im Luftspalt des Lautsprechermagnets befindet. Diese Spule ist fast so lang wie der Luftspalt und ist um den Polschuh gewickelt, damit sie sich möglichst nahe bei der Antriebsspule befindet. Fliesst Strom durch diese Spule wird ein Magnetfeld generiert, welches in die Gegenrichtung des von der bewegten Spule erzeugten Magnetfeldes zeigt. Dadurch wird ein Grossteil der Induktanz der Schwingspule eliminiert, und die Modulation des Magnetflusses sowie die Modulation der Induktanz vermindert. Die AIC Einheit kann als kurzgeschlossener Ring im Luftspalt betrachtet werden. Die zwei AIC Anschlüsse ermöglichen die Ansteuerung der Spule auf verschiedenste Weise und können auf die Anforderungen des spezifischen Projekts angepasst werden.

Weltweit haben viele Hersteller von Audioequipment versucht die KV2 ‚trans coil‘ Komponenten einzusetzen, hatten aber wenig Erfolg. Sie scheitern, da nur die Kombination von Treiber und entsprechender spezifischer Elektronik zur Soundqualität von KV2 führt.

Beschallungskonzept

Zur Zeit beherrschen zwei hauptsächliche Beschallungskonzepte den Markt; zum einen die einfache Punktquelle und zum anderen die Wiedergabe mit mehreren Punktquellen, welche meist mit ‚Array‘ bezeichnet werden. Diese Arrays wurden auf Grund der hohen Leistungsanforderungen entwickelt. Dieses Ziel wurde zwar erreicht; aber der wachsenden Anzahl der Punktquellen folgte auch eine Verminderung der Klangqualität. Die Verluste im Hochtonbereich und der physikalische Zeitversatz der einzelnen Quellen sind die beiden grossen Nachteile von Arrays. Die Summierung von zeitlich verschobenen Tonquellen haben eine schlechte Impulswiedergabe zur Folge. Die früheren Systeme mit vielen Punktquellen waren schlichte Stapel von Lautsprechern, welche in Form von Blöcken zusammengestellt wurden und auf Achse abstrahlen sollten. Eine wesentliche Verbesserung brachten neue Systeme, welche einen besseren Frequenzverlauf und auch eine bessere Auflösung als die vorhergehenden Multipunktsysteme anboten.

Trotz dieser Verbesserung waren der Frequenzverlauf und die Impulsantwort immer noch nicht ideal, und die Audio-Abdeckung war oft ungleichmässig. Ein typischer Vertreter dieser Multipunkt-Systeme sind die heute allgemein im Einsatz stehenden Line Arrays. Line Arrays vermindern zwar die Interferenz zwischen den einzelnen Quellen, sind aber von den überlegenen Resultaten einer einzelnen Punktquelle noch weit entfernt. Eine einzelne Punktquelle ermöglicht heutzutage die beste Auflösung und den besten Dynamikumfang. Eine gute Sprachverständlichkeit ist ein Nebenprodukt dieser Vorzüge, kann aber nur garantiert werden, wenn die hohe Auflösung und die grosse Dyanmik erhalten bleiben, was wiederum eine schnelle und genaue Elektronik, sowie Lautsprecherchassis mit geringen Verzerrungen erfordert. Der naturgemässe Frequenzgang eines Line Arrays zeigt auf Grund der physikalischen Nachbarschaft der vielen Hochtontreiber einen kontinuierlichen Abfall von 2kHz aufwärts. Dieser Verlust bedingt einen grossen Entzerrungsaufwand im oberen Frequenzbereich. Die starke Anhebung des Hochtonbereichs reduziert den Headroom des ganzen Systems. Line Arrays brauchen bis zu zehnmal mehr Leistung im oberen Frequenzbereich als ein Lautsprechersystem mit einer Einzelpunktquelle. Der Bedarf an hohen Leistungen ist vielfach nicht durch eine grosse Audio-Abdeckung, sondern durch einen schlechten Wirkungsgrad der Systeme bedingt.

Bei einem Line Array mit vielen Lautsprechern erreichen deren Schallwellen den Zuhörer mit einem geringen Zeitversatz, und verwischen damit die zeitliche Komponente des Signals. Die Voraussetzung für eine hochauflösende Wiedergabe ist eine kurze Impulsantwort. Die Impulsantwort eines Line Arrays ist auf Grund des erwähnten Zeitversatzes nicht mehr korrekt. Viele Hersteller behaupten nun, dass diese Zeitfehler mit elektronischen Delays korrigiert werden können, aber dies kann keine Lösung sein, da der zeitliche Versatz der Tonquellen für jede Hörerposition anders ist. Ein anderer Mythos der Line Arrays ist die Vorstellung, dass alle Lautsprecher sauber koppeln, und ein gerichtetes, weit tragendes Klangfeld generieren.

Bei der Betrachtung der angefügten Richtdiagramme ist jedoch zu sehen, dass dies nicht zutrifft. Die Kurven des Hochtonbereiches im oberen Bild zeigen die gleichmässige Abstrahlung einer Einzelpunktquelle gegenüber der Streuung bei einem Line Array wie im unteren Bild. Das Richtdiagramm eines Line Arrays zeigt Spitzen und Einbrüche, welche durch die Interferenzen zwischen den einzelnen Elementen verursacht werden. Ein weiterer Punkt, welchen die Systemingenieure oder Line Array Softwareentwickler oft übersehen, ist die Tatsache, dass die Luftströmungen im Zuhörerbereich dem Zufall unterliegen. Dadurch werden riesige Veränderungen bei der Wiedergabe mit mehreren Quellen verursacht. Oft passiert es auch, dass ein Toningenieur den ganzen Tag an einer möglichst perfekten Wiedergabe in einer ‚leeren‘ Umgebung arbeitet, aber nicht berücksichtigt, dass die akustische Umgebung sich signifikant verändert, wenn die Zuhörer in die Halle oder aufs Gelände strömen.

Polardiagramm einer Punkschallquelle