Parametrische Entzerrung

Parametrisch heißt, dass jedes einzelne Filter in allen seinen Größen frei einstellbar ist: welche Form es hat, bei welcher Frequenz es sitzt, wie stark es wirkt und wie breit es eingreift. Ein solches Filter heißt Band. Ein Prozessor mit acht Bändern erlaubt also acht voneinander unabhängige Eingriffe in den Frequenzgang.

Ausführliche Erklärung

Vor der Parametrik gab es zwei Sorten von Klangeingriff: feste Klangregler und den grafischen Equalizer mit einer Reihe von Schiebern auf fest vergebenen Frequenzen. In beiden Fällen entscheidet der Aufbau des Geräts, wo eingegriffen wird, und der Bediener entscheidet nur, wie viel. Der amerikanische Toningenieur George Massenburg stellte 1972 auf einer Tagung der Audio Engineering Society eine Filtersektion vor, in der auch die Frequenz und die Breite des Eingriffs frei wählbar waren — und gab dieser Bauweise ihren Namen. Aus dem Studio ist sie inzwischen in jeden Subwoofer, jeden Mehrkanalprozessor und jede Lautsprecher-App gewandert.

Technisch ist ein Band im Regelfall ein IIR-Filter zweiter Ordnung, ein Biquad. Das erklärt, warum acht Bänder in einem Subwoofer keine nennenswerte Rechenleistung beanspruchen und warum sie praktisch verzögerungsfrei arbeiten: Ein Biquad braucht fünf Koeffizienten und ein paar Rechenschritte je Abtastwert.

Die vier Stellgrößen

Die Verstärkung heißt in vielen Bedienoberflächen Gain und wird in Dezibel angegeben, negative Werte senken ab. Die Güte heißt in aller Regel schlicht Q; manchmal steht an ihrer Stelle direkt eine Breite in Oktaven. Bei Hoch- und Tiefpässen entfällt die Verstärkung; dort tritt oft eine Flankensteilheit in Dezibel je Oktave an ihre Stelle, wie sie auch die Frequenzweiche kennt.

Die Filtertypen und wozu Du sie nimmst

Die Glocke (englisch peaking oder bell) hebt um eine Mittenfrequenz herum an oder senkt ab und läuft nach beiden Seiten wieder aus. Sie ist der Arbeitstyp für alles, was einen Berg oder ein Tal im Frequenzgang hat — eine Raummode etwa.

Die beiden Kuhschwanzfilter (englisch low shelf und high shelf) heben oder senken alles unterhalb beziehungsweise oberhalb einer Frequenz und bleiben von dort an auf dem eingestellten Wert. Sie sind das Mittel für Ungleichgewichte über ein ganzes Ende des Bereichs: zu viel Bassenergie durch die Nähe zur Wand, ein zu heller Gesamteindruck durch einen halligen Raum. Ihr Gegenstück auf der Zielseite ist die Zielkurve, die den gewünschten Verlauf über das ganze Band beschreibt.

Der Hochpass lässt alles oberhalb seiner Frequenz durch und schneidet darunter ab. Im Subwoofer schützt er das Chassis vor Signalanteilen, die es ohnehin nicht wiedergeben kann und die es nur mechanisch belasten; in einer Stereoanlage ohne Prozessor entlastet er kleine Hauptlautsprecher. Sein Gegenstück, der Tiefpass, begrenzt den Subwoofer nach oben. Wo beide zusammen die Aufteilung zwischen Lautsprecher und Subwoofer herstellen, gehören sie zur Übergangsfrequenz und zum Bassmanagement und nicht mehr zur Entzerrung im engeren Sinn.

Was die Güte einstellt

Die Güte Q ist das Verhältnis von Mittenfrequenz zur Breite des Eingriffs. Ein hoher Wert bedeutet einen schmalen Eingriff, ein niedriger einen breiten:

text Q = f / B

Q = Güte (dimensionslos) f = Mittenfrequenz in Hz B = Breite des Eingriffs in Hz

Ein Filter bei 45 Hz mit Q = 10 wirkt also über rund 4,5 Hz, eines mit Q = 2 über rund 22 Hz. Weil das Gehör in Oktaven hört und nicht in Hertz, rechnen manche Oberflächen gleich in Oktaven um: Q ≈ 1,4 entspricht einer Oktave, Q ≈ 4,3 einem Terzband, Q ≈ 8,7 einer Sechsteloktave, Q ≈ 0,67 zwei Oktaven. Diese Umrechnung ist reine Geometrie und gilt unabhängig vom Gerät.

Was nicht unabhängig vom Gerät gilt, ist die Frage, wo die Breite gemessen wird. Bei einer Glocke mit ±3 dB gibt es keine Punkte, an denen die Wirkung um 3 dB abgefallen ist — der ganze Eingriff ist nur 3 dB groß. Die verbreiteten Rechenvorschriften für digitale Bänder messen deshalb zwischen den Punkten der halben eingestellten Anhebung, bei +8 dB also bei +4 dB, und weichen damit von der klassischen Definition über den −3-dB-Abfall des zugrunde liegenden Schwingkreises ab. Dasselbe Q kann an zwei Geräten deshalb verschieden breit ausfallen.

Absenken und Anheben sind zwei verschiedene Eingriffe

Die Bedienoberfläche behandelt beide Richtungen gleich, die Physik tut das nicht. Eine Überhöhung im Bass stammt in aller Regel von einer Resonanz des Raums, und eine Resonanz lässt sich mit einem Filter derselben Frequenz und ähnlicher Güte sauber zurücknehmen. Warum das so zuverlässig funktioniert und warum ein Einbruch dieselbe Behandlung nicht verträgt, steht bei der Minimalphasigkeit.

Anheben kostet außerdem zweimal Reserve. Digital verkleinert jede Anhebung den nutzbaren Wertebereich — 6 dB mehr an einer Stelle heißt 6 dB weniger Abstand zur Übersteuerung, weshalb gute Oberflächen den Gesamtpegel automatisch mit absenken. Analog dahinter braucht der Verstärker für dieselben 6 dB die vierfache Leistung, und das Chassis legt den doppelten Hub zurück. Bei einer breiten Anhebung im Tiefbass ist das der Punkt, an dem ein Subwoofer hörbar zumacht, statt lauter zu werden.

Daraus folgt die Faustregel, mit der praktisch alle Einmessverfahren arbeiten: großzügig absenken, sparsam anheben, und Anhebungen nur dort, wo sie breit und flach bleiben.

Häufiges Missverständnis

„Mehr Bänder sind besser." Die Zahl der Bänder sagt nur, wie viele Eingriffe gleichzeitig möglich sind — sie sagt nichts darüber, wie viele sinnvoll sind. Unterhalb der Schroeder-Frequenz liegen typischerweise eine Handvoll Moden, die einzeln auffallen; darüber zeigt eine Messung Zacken, die von Platz zu Platz anders aussehen und deren Nachbildung den Hörplatz verschlechtert, sobald jemand danebensitzt. Vier gut gesetzte Bänder im Bass wirken mehr als dreißig, die einer Messkurve hinterherlaufen.

Der zweite Irrtum ist hartnäckiger, weil er logisch klingt: Man lese die Güte der Mode im Frequenzgang ab und stelle sie im Filter ein. Was die Messung am Hörplatz zeigt, ist aber nicht die einzelne Mode, sondern die Summe aus Direktschall und allen beteiligten Moden — warum sich die Güte der Resonanz daraus nicht ablesen lässt, führt die Modenbandbreite aus. In der Praxis wird deshalb gesetzt, gemessen und nachgezogen, statt einmal abgelesen.

Und schließlich: Ein zu schmal gesetztes Filter ist selbst eine Resonanz. Trifft es die Frequenz der Mode nicht genau, kann es das Ausschwingen des Raums verlängern, statt es zu verkürzen — der Eintrag zum modalen Ausschwingen hält den Streitstand dazu fest.

Nicht zu verwechseln mit

• Grafischer Equalizer: feste Bänder auf genormten Frequenzen, meistens im Terzabstand, mit je einem Schieber für den Pegel. Frequenz und Breite sind vom Gerät vorgegeben. Er ist schneller zu bedienen und im Bass zu grob, weil eine Raummode selten genau auf einer Terzmitte liegt.
• Halbparametrischer Equalizer: Frequenz und Verstärkung frei, Güte fest. Verbreitet in Mischpultkanälen und einfachen Subwoofern; für modale Eingriffe reicht es meistens nicht.
• Klangregler, Loudness und Klangvoreinstellungen: feste Kurven ohne Bezug zu einer Messung. Sie ändern den Gesamteindruck, statt eine bestimmte Abweichung zu behandeln.
• Zielkurve: der gewünschte Verlauf am Hörplatz. Die Parametrik ist eines der Werkzeuge, mit denen ein System dorthin kommt.
• Raumkorrektur: das ganze Verfahren aus Messung, Rechnung und Filtersatz. Es setzt die Bänder selbst, oft in weit größerer Zahl, als sich von Hand einstellen ließe.
• Frequenzweiche: Sie teilt das Signal auf mehrere Wege auf. Hoch- und Tiefpass kommen in beiden Zusammenhängen vor, die Aufgabe dahinter ist eine andere.

In der Planung

Ein Subwoofer steht neu im Wohnzimmer, die App bietet acht Bänder, und in der Messung ragt ein Berg bei 45 Hz heraus, während es bei 62 Hz tief einbricht. Verlockend ist, beides anzufassen.

Zuerst zu klären ist, was von dem, was die Messung zeigt, überhaupt ein Filterproblem ist. Die Überhöhung ist eine Raumresonanz und damit ein Fall für ein Band. Der Einbruch entsteht aus der Überlagerung zweier Wege — er gehört zur Aufstellung und nicht in den Entzerrer.

Damit steht das Verfahren fest. Zuerst wandert der Subwoofer, und wenn der Raum es hergibt, kommt ein zweiter dazu; das verändert das Muster und macht den Einbruch flacher. Erst danach wird entzerrt, und dann mit wenigen Bändern: eine Glocke auf die verbliebene Überhöhung, mäßige Güte, so wenig Absenkung wie nötig — anschließend nachmessen, weil das Filter das Zusammenspiel der Quellen mitverändert.

Das Gerät kommt zuletzt, und die Zahl der Bänder ist dabei das schwächste Kriterium. Für diese Aufgabe reichen wenige, aber sie müssen in Frequenz und Güte frei einstellbar sein: Eine App mit dreißig Bändern auf fester Güte ist dafür schlechter geeignet als eine mit vieren, an denen sich alles einstellen lässt.

Verknüpfte Inhalte

Womit die Filter gerechnet werden, steht beim DSP, und welche Bauform hinter einem Band steckt, bei den FIR- und IIR-Filtern. Warum sich Überhöhungen absenken und Auslöschungen nicht auffüllen lassen, klärt die Minimalphasigkeit; wie breit eine Mode überhaupt ist, die Modenbandbreite, und wie lange sie nachhängt, das modale Ausschwingen. Das ganze Verfahren aus Messung und Filterrechnung beschreibt die Raumkorrektur, die Messung selbst die Raummessung. Wo eine linearphasige Auslegung statt eines Biquads gewählt wird, kommt das Vorschwingen ins Spiel.

Quellen

Die Bezeichnung und die Erstvorstellung der frei einstellbaren Filtersektion gehen auf einen AES-Tagungsbeitrag von George Massenburg aus dem Jahr 1972 zurück. Filtertypen, die Definition von Güte und Bandbreite und die Umrechnung in Oktaven folgen den verbreiteten Rechenvorschriften für digitale Audiofilter und der allgemeinen Literatur zur Signalverarbeitung. Die Aussagen zur Umkehrbarkeit von Überhöhungen und Einbrüchen und zur Ablesbarkeit der Güte aus einer Hörplatzmessung stammen aus dem eigenen Bestand und sind dort belegt.