Tiefe: Fortgeschritten

Line Source und Zeilenstrahler

Warum bündelt eine hohe, schmale Quelle senkrecht — und was heißt das für mehrere Sitzreihen?

Eine Line Source ist eine Schallquelle, deren abstrahlende Fläche in einer Richtung über viele Wellenlängen reicht und quer dazu klein gegen die Wellenlänge bleibt. In der Praxis steht sie senkrecht: ein hoher, schmaler Wandler oder eine Säule aus vielen Chassis übereinander. Aus dieser Form folgen zwei Eigenschaften, die sonst nur getrennt zu haben sind — eine enge Bündelung senkrecht bei gleichzeitig breiter Abstrahlung waagerecht, und ein flacherer Pegelabfall über den Abstand.

Ein gewöhnlicher Lautsprecher verteilt seinen Schall in alle Richtungen — auch an die Decke und auf den Boden, wo ihn niemand braucht, und wo er als Echo zurückkommt. Ein hoher, schmaler Lautsprecher macht das anders: Nach oben und unten gibt er wenig ab, zur Seite dagegen viel. Und weil er sich über eine große Höhe verteilt, wird er mit zunehmender Entfernung langsamer leiser als ein kleiner Lautsprecher. In einem tiefen Raum sitzt die letzte Reihe deshalb näher an dem, was die erste hört. Das gilt allerdings nur in einem bestimmten Tonhöhenbereich, und dieser Bereich hängt daran, wie hoch der Lautsprecher wirklich ist.

Ausführliche Erklärung

Warum senkrecht und waagerecht Verschiedenes passiert

Ob eine Quelle bündelt, entscheidet in jeder Ebene getrennt das Verhältnis ihrer Abmessung zur Wellenlänge. Ist die Abmessung klein gegen die Wellenlänge, gibt die Quelle in dieser Ebene breit ab; wird sie groß dagegen, konzentriert sich die Abstrahlung um die Hauptachse.

Eine Zeile hat in ihren beiden Ebenen völlig verschiedene Abmessungen, und deshalb verhält sie sich in beiden verschieden. In der Höhe erstreckt sie sich über viele Wellenlängen: Anteile, die von oben und von unten kommen, treffen an einem Punkt außerhalb der Hauptachse mit deutlichem Laufzeitunterschied ein und löschen sich weitgehend aus. In der Breite misst sie oft nur wenige Zentimeter und bleibt damit selbst im Hochton klein gegen die Wellenlänge — dort tritt keine solche Auslöschung auf, und die Abstrahlung bleibt breit.

Bändchenhochtöner und Air Motion Transformer zeigen ihre schmale senkrechte Abstrahlung deshalb, ohne dass jemand eine Zeile gebaut hätte: Ihre Form ist bereits eine.

Der flachere Pegelabfall — und wo er endet

Eine Punktquelle verteilt ihre Leistung auf eine Kugelfläche, die mit dem Quadrat des Abstands wächst; der Pegel fällt deshalb um 6 dB je Abstandsverdopplung. Eine sehr lange Zeile erzeugt in ihrer Nähe stattdessen eine zylindrische Welle: Die Fläche wächst nur noch linear mit dem Abstand, und der Pegel fällt um 3 dB je Abstandsverdopplung.

Der Zusatz „in ihrer Nähe" ist die eigentliche Nachricht. Eine endliche Zeile verhält sich nur bis zu einer bestimmten Entfernung wie ein Zylinder; darüber hinaus sieht der Hörer sie zunehmend als kompakte Quelle, und der Abfall geht in die üblichen 6 dB über. Diese Grenze hängt an zwei Größen: Sie wächst mit dem Quadrat der Zeilenlänge und mit der Frequenz. Kurze Zeilen und tiefe Frequenzen bringen den Vorteil also gar nicht erst zustande.

Zwei Grenzen, zwischen denen es funktioniert

Nach unten begrenzt die Länge. Wird die Wellenlänge vergleichbar mit der Höhe der Zeile, ist sie akustisch keine Zeile mehr — sie bündelt nicht mehr und strahlt wieder rundum ab. Bei einem zwei Meter hohen Zeilenlautsprecher liegt diese Grenze im Grundtonbereich, bei einem sechs Zentimeter hohen Bändchen weit oben im Hochton.

Nach oben begrenzt der Abstand der Einzelquellen. Besteht die Zeile aus diskreten Chassis, verhält sie sich nur so lange wie eine durchgehende Linie, wie der Abstand zwischen benachbarten Chassis klein gegen die Wellenlänge bleibt. Wird er größer als eine halbe Wellenlänge, entstehen zusätzlich zur Hauptkeule weitere Keulen in anderen Winkeln, und dazwischen liegen Einbrüche. Der Hörer bemerkt das als Kammfiltereffekt, sobald er die Ohrhöhe ändert: eine Klangfarbe im Sitzen, eine andere im Stehen.

Aus diesen beiden Grenzen folgt die Bauweise fast von selbst. Zeilen für den Hochton sitzen mit sehr engem Abstand oder sind gleich als ein durchgehender Wandler ausgeführt; Zeilen für tiefere Bereiche werden lang. Und weil beides zugleich schwer zu haben ist, teilen reale Konstruktionen die Aufgabe über der Frequenz auf.

Gekrümmte Zeilen

Eine gerade Zeile deckt einen sehr schmalen senkrechten Winkel ab. Das passt zu einer flachen Bestuhlung und passt nicht zu einem ansteigenden Zuschauerraum, bei dem die hinteren Plätze deutlich höher liegen.

Die Antwort darauf ist die Krümmung: Werden die Elemente gegeneinander angewinkelt, deckt jedes einen anderen Teil des Zuhörerbereichs ab. In der üblichen Auslegung nimmt der Winkel nach unten hin zu — die oberen, eng gestellten Elemente versorgen die weit entfernten Plätze, die unteren, stärker angewinkelten die nahen. Der Preis dafür ist das zylindrische Abstandsgesetz, das dabei teilweise verloren geht. Der Gewinn ist eine gleichmäßige Versorgung über eine Fläche, die eine gerade Zeile nie erreicht hätte.

Häufiges Missverständnis

„Eine Säule mit vielen kleinen Chassis ist eine Line Source." Über das gesamte Übertragungsband stimmt das für kaum eine reale Säule. Sie arbeitet als Zeile in dem Band, in dem ihre Länge groß und ihr Chassisabstand klein gegen die Wellenlänge ist — darunter strahlt sie rundum ab, darüber zerfällt ihre Keule. Die Frage an ein solches Produkt lautet deshalb nicht, ob es eine Zeile ist, sondern zwischen welchen beiden Frequenzen es sich wie eine verhält. Genau diese Angabe fehlt in Datenblättern regelmäßig, und ein senkrechtes Abstrahldiagramm über der Frequenz beantwortet sie in einem Bild.

Das zweite Missverständnis ordnet die Bauform der falschen Welt zu: „Line Arrays sind Konzerttechnik." Der Mechanismus arbeitet in jeder Größe. Im Heimkino zeigt er sich als schmale senkrechte Abstrahlung von Bändchen und Air Motion Transformern, in Multiroom- und Beschallungsprojekten als Zeilenlautsprecher in langen Räumen mit hoher Nachhallzeit — dort ist der Gewinn weniger die Lautstärke als der Anteil an Direktschall, der die Sprachverständlichkeit bestimmt.

Nicht zu verwechseln mit

Punktquelle: eine Quelle, die klein gegen die Wellenlänge bleibt und allseitig abstrahlt. Ihr Pegel fällt mit 6 dB je Abstandsverdopplung; das ist der Vergleichsfall, gegen den die Zeile gerechnet wird.
D'Appolito-Anordnung: ein Mitteltöner-Hochtöner-Mitteltöner-Aufbau mit symmetrischem Abstrahlverhalten in der Senkrechten. Verwandte Absicht, aber zu kurz für eine Zeile — die Wirkung entsteht dort aus der Symmetrie.
Horn und Waveguide: erzeugen Richtwirkung über die Geometrie der Schallführung vor dem Chassis. Anderer Weg zum selben Ziel, mit anderem Verhalten über der Frequenz.
Bündelungsmaß: die Zahl, mit der Richtwirkung angegeben wird. Die Zeile ist eine von mehreren Bauformen, die auf einen bestimmten Wert führen können.

In der Planung

Ein Heimkino mit zwei Sitzreihen, die vordere 3 Meter, die hintere 6 Meter von der Leinwand entfernt, die zweite auf einem Podest. Beide Reihen sollen gleich klingen — wie gleich klingen sollen — und sie zerfällt in zwei Teilfragen, die häufig vermischt werden: die Pegeldifferenz zwischen den Reihen und die Klangfarbe an unterschiedlichen Ohrhöhen.

Für die Pegeldifferenz ist die Abstandsverdopplung von 3 auf 6 Meter der Maßstab. Eine kompakte Quelle liefert hinten rund 6 dB weniger, eine wirksame Zeile rund 3 dB — vorausgesetzt, ihre Nahfeldgrenze reicht über 6 Meter hinaus, was bei einer Zeile von Lautsprecherhöhe nur in einem Teil des Bandes zutrifft. Für die Klangfarbe zählt die senkrechte Abdeckung: Eng bündelnde Wandler verlangen eine Entscheidung darüber, auf welche Ohrhöhe ausgerichtet wird und wie hoch das Podest dafür sein darf.

Zum Gerät geht es zuletzt, und dort entscheidet ein Diagramm. Ein senkrechtes Abstrahldiagramm über der Frequenz zeigt beide Antworten zugleich — den Winkel, in dem der Hochton gleich bleibt, und die Frequenzen, ab denen zusätzliche Keulen auftreten. Ohne dieses Diagramm ist die Einordnung eines Zeilenprodukts Vermutung.

Verknüpfte Inhalte

Wie Richtwirkung beziffert wird und warum das Maß nichts über die Bauform sagt, führt das Bündelungsmaß aus. Zwei Wandler, deren Form bereits eine Zeile ist, stehen beim Bändchenhochtöner und beim Air Motion Transformer; der andere Weg zur Richtwirkung bei Horn und Waveguide. Was ungleiche Verhältnisse über die Sitzplätze hinweg bedeuten, klärt die Sitz-zu-Sitz-Varianz, und warum zusätzliche Keulen als Klangfarbenwechsel hörbar werden, der Kammfiltereffekt. Wie sich der Direktschallanteil im Raum verschiebt, steht beim Hallradius.

Quellen

Richtcharakteristik langer Quellen, zylindrische Ausbreitung und das Verhalten diskret besetzter Zeilen folgen der allgemeinen elektroakustischen Überblicksliteratur; der Auftrag zu diesem Eintrag stammt aus dem AVITECT-Eintrag zum Bündelungsmaß, der die Bauformen der Richtwirkung ausdrücklich an eine eigene Stelle verweist.