Tiefe: Fortgeschritten

Wellenfeldsynthese

Was ist Wellenfeldsynthese — und warum spielt sie im Wohnkino keine Rolle?

Wellenfeldsynthese baut das Schallfeld einer Quelle über eine dichte Zeile aus vielen Einzellautsprechern physikalisch nach. Jeder Lautsprecher bekommt ein eigenes, in Echtzeit gerechnetes Signal; aus der Überlagerung aller Signale entsteht eine Wellenfront, die so verläuft wie die einer Quelle an einem Ort, an dem gar kein Lautsprecher steht. Weil das Feld dabei in einer ganzen Fläche stimmt und nicht allein an einem Hörplatz, verliert der Sweet Spot seine Bedeutung.

Stell Dir eine Reihe von Stäben vor, die im Takt auf eine Wasseroberfläche tippen. Tippen alle gleichzeitig, läuft eine gerade Welle los. Tippen sie leicht versetzt, sieht die Welle aus, als käme sie von einem einzigen Punkt weit hinter der Reihe. Genau das macht dieses Verfahren mit Schall, nur mit vielen hundert kleinen Lautsprechern statt Stäben. Dafür darfst Du im Raum umhergehen, und eine Stimme bleibt da, wo sie hingehört, statt mit Dir zu wandern. Der Preis ist die Bauform: Es braucht eine geschlossene Lautsprecherreihe rund um den ganzen Raum. Deshalb begegnest Du dem Verfahren in Forschungssälen und einzelnen Kinos und nicht im Wohnzimmer.

Ausführliche Erklärung

Vom Huygens-Prinzip zur Lautsprecherzeile

Der niederländische Physiker Christiaan Huygens beschrieb im späten 17. Jahrhundert, wie sich Wellen ausbreiten: Jeder Punkt einer Wellenfront lässt sich als Ursprung einer eigenen kleinen Elementarwelle auffassen, und alle Elementarwellen zusammen ergeben die nächste Wellenfront. Der Mathematiker Gustav Kirchhoff goss das Prinzip später in eine Gleichung, die heute als Kirchhoff-Helmholtz-Integral geführt wird. Sie sagt: Kennt man auf einer geschlossenen Hüllfläche den Schalldruck und die Bewegung der Luftteilchen, dann liegt das Schallfeld im ganzen eingeschlossenen Raum fest — vorausgesetzt, im Inneren steht keine weitere Quelle.

Darin steckt das Wiedergabeverfahren bereits. Wer eine reale Quelle nachbilden will, muss sie nicht selbst nachbauen; es genügt, auf einer Hüllfläche um den Hörbereich genau die Signale zu erzeugen, die die Quelle dort erzeugt hätte. Die Lautsprecher auf dieser Fläche heißen deshalb Sekundärquellen: Sie stellen keine eigene Quelle dar, sondern setzen die Wellenfront einer anderen fort.

Aus der Theorie wurde in den späten achtziger Jahren an der Technischen Universität Delft ein Verfahren. Der Geophysiker A. J. Berkhout, der dort mit der Wellentheorie der Seismik arbeitete, übertrug deren Algorithmen 1988 im Journal of the Audio Engineering Society auf die Raumakustik und nannte den Ansatz akustische Holografie. Der Weg von der Theorie zur Baustelle geht dabei über zwei Vereinfachungen: Aus der geschlossenen Hüllfläche wird eine ebene Fläche zwischen Quelle und Hörbereich, und aus der Fläche wird eine waagerechte Linie in Kopfhöhe. Beide Schritte kosten Genauigkeit, und beide sind der Grund dafür, dass gebaute Anlagen anders klingen als die Rechnung verspricht.

Warum der Lautsprecherabstand alles entscheidet

Die Theorie verlangt eine lückenlose Verteilung von Sekundärquellen. Eine gebaute Zeile besteht aus einzelnen Lautsprechern in endlichem Abstand, und dieser Abstand ist eine räumliche Abtastung mit demselben Problem wie jede Abtastung: Oberhalb einer Grenzfrequenz stimmt das Ergebnis nicht mehr. Diese Grenze heißt räumliche Aliasing-Frequenz. Sie hängt vom Abstand der Lautsprecher und vom Einfallswinkel der synthetisierten Welle ab; bei achtzehn Zentimetern Abstand liegt sie im ungünstigsten Fall bei rund einem Kilohertz. Oberhalb davon entstehen räumliche und klangliche Fehler zugleich — die Ortung wird unscharf, und der Frequenzgang bekommt eine kammartige Struktur.

Damit ist der Abstand die eigentliche Kostengröße des Verfahrens, und aus ihm folgt die Zahl der Kanäle. Der Hörsaal H104 der Technischen Universität Berlin arbeitet mit zehn Zentimetern: Auf rund 86 Metern Umlauf stehen über 2 700 Lautsprecher, angesteuert über 832 Audiokanäle und einen Rechnerverbund aus fünfzehn Knoten; unter 200 Hertz übernehmen eigene Tieftöner für je vier Kanäle. Rund 640 Plätze hören darüber bis zu 42 gleichzeitige virtuelle Quellen. Das ist derzeit eine der größten Anlagen dieser Art, und sie zeigt die Größenordnung ehrlicher als jede Prinzipskizze.

Zwei weitere Einschränkungen kommen aus der Bauform. Eine Zeile hat Enden, und an den Enden beugt sich der Schall: Es entstehen zusätzliche Wellen, die als Nachechos beim Hörer ankommen und je nach Pegel als Klangfärbung hörbar werden. Und eine waagerechte Zeile kann Richtungen nur in der Waagerechten korrekt abbilden — Höhe gehört nicht zum Leistungsumfang, solange die Sekundärquellen in einer Ebene liegen.

Wo das Verfahren wirklich steht

Die erste öffentlich zugängliche Kinoinstallation entstand Anfang 2003 in Ilmenau: Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie rüstete einen Saal der dortigen Lindenlichtspiele mit 192 Lautsprechern und der zugehörigen Rechentechnik aus. Das Institut beschreibt die Technik als an der TU Delft erfunden und im eigenen Haus zur Marktreife entwickelt. Seither ist das Verfahren dort geblieben, wo seine Stärke zählt: in Forschungs- und Vorführsälen, in einzelnen Kinos, in Ausstellungen und Planetarien. Eine Verbreitung im Handel hat es nie erreicht.

Warum es im Wohnraum keine Rolle spielt

Der erste Grund ist die Bauform. Ein Wohnkino mit zwanzig Metern Umlauf bräuchte bei zehn Zentimetern Abstand rund zweihundert Lautsprecher auf Kopfhöhe, rundum, sichtbar oder hinter akustisch offenen Flächen — plus die Endstufen und die Rechentechnik dahinter. Darüber entscheidet der Rohbau, lange bevor jemand über Budget spricht.

Der zweite Grund ist die Lieferkette. Filmton erreicht das Haus kanalbasiert oder objektbasiert; ein Signal, das ein Wellenfeldsynthese-Renderer verarbeiten könnte, liefert weder Disc noch Streaming, und kein Gerät für den Wohnbereich decodiert eines. Das Fraunhofer-Konzept setzte für Speicherung und Übertragung auf das MPEG-4-Format mit Audioobjekten und Rauminformationen — ein Weg, der im Heimkino nie angekommen ist.

Der dritte Grund ist der wichtigste, weil er auch dann gilt, wenn die ersten beiden eines Tages wegfielen: Das Problem, das die Wellenfeldsynthese löst, ist im Wohnkino klein. Sie ersetzt den einen guten Platz durch eine gute Fläche. Bei sechshundert Plätzen in einem Hörsaal ist das der ganze Unterschied zwischen einer brauchbaren und einer unbrauchbaren Beschallung. Bei sechs festen Plätzen in einem Raum, den ein Einmesssystem kennt, ist die Streuung über die Sitze mit Aufstellung, Bassmanagement und Korrektur weit billiger einzugrenzen.

Häufiges Missverständnis

„Wellenfeldsynthese ist die nächste Stufe nach Dolby Atmos." Der Vergleich sitzt auf der falschen Ebene. Atmos beschreibt, wie der Inhalt vorliegt, und bringt eine vollständige Kette von der Mischung bis zum Verstärker mit. Die Wellenfeldsynthese beschreibt, wie ein Aufbau aus einem vorhandenen Inhalt Schall macht; sie braucht eine Quelle mit Positionsangaben und stellt an das Format keine eigene Anforderung. Die beiden schließen sich theoretisch nicht einmal aus — eine Objektbeschreibung wäre genau die Eingangsgröße, die ein Wellenfeldsynthese-Renderer benötigt. Was fehlt, ist die Kette dazwischen und der Raum, der die Zeile aufnimmt.

Der zweite Irrtum begegnet einem im Prospekt: Ein Gerät mit acht oder zwölf Treibern in einer Reihe wird gern mit dem Wort beworben. Acht Treiber sind rund einen halben Meter Zeile und eine Aliasing-Grenze unterhalb der Sprachverständlichkeit. Was solche Geräte machen, ist Bündelung — nützlich, gut untersucht, und etwas anderes.

Nicht zu verwechseln mit

WaveForming. Der Wortstamm ist ähnlich, das Ziel ein anderes: Dort arbeiten mehrere Subwoofer gegeneinander, um im Bass die Raummoden zu bändigen. Von Wellenfronten oberhalb von hundert Hertz ist dabei nicht die Rede.

Ambisonics und szenenbasierter Ton. Beide beschreiben ein Schallfeld, aber an einem einzigen Punkt und in Form von Koeffizientensignalen; die Wiedergabe rechnet daraus Signale für die Lautsprecher, die tatsächlich da sind — oft eine Handvoll. Die Wellenfeldsynthese baut das Feld stattdessen in einer Fläche auf und braucht dafür die dichte Zeile.

Beamforming. Eine Lautsprecherzeile mit einzeln angesteuerten Treibern kann ihre Abstrahlung bündeln und schwenken. Das ist dieselbe Bauform und dieselbe Rechenart, aber ein anderes Ziel: Richtung der Energie statt Nachbau einer Wellenfront.

Objektbasierter Ton. Er sagt, wie der Inhalt beschrieben ist, und schreibt kein Wiedergabeverfahren vor.

In der Beratung

Ein Kunde kommt von einer Messe oder aus einem Vorführsaal zurück und fragt, ob sich das im eigenen Kinoraum bauen lässt. Die Frage ist berechtigt und die Antwort kurz, wenn sie in der richtigen Reihenfolge kommt.

Zuerst die Konzeptfrage: Was hat im Vorführsaal eigentlich beeindruckt? Fast immer sind es zwei Dinge — die Ortung blieb stabil, während der Zuhörer umherging, und der Raum wirkte tiefer als seine Wände. Beides sind Eigenschaften, die ein großes Publikum braucht. Dann die Verfahrensfrage: Wie viel davon lässt sich im eigenen Raum erreichen? Für feste Plätze bringt eine saubere Aufstellung mit sorgfältiger Basisbreite, ein Bassmanagement über mehrere Subwoofer und eine Einmessung den Großteil der Stabilität über die Sitze — die Wellenfeldsynthese wäre hier ein Bauverfahren für ein Problem, das der Raum gar nicht hat. Die Gerätefrage danach — sie stellt sich in diesem Fall nicht: Es gibt für den Wohnbereich kein Gerät, das ein solches Feld erzeugt, und keinen Inhalt, der es beschreiben würde.

Wer den Höreindruck trotzdem wiederhaben will, sucht ihn also an einer anderen Stelle — bei der Zahl und Platzierung der Surround- und Deckenlautsprecher und bei der Frage, wie gleichmäßig der Bass über die Sitze verteilt ist.

Verknüpfte Inhalte

Warum ein einzelner Hörplatz in konventionellen Aufbauten überhaupt bevorzugt ist, erklärt der Sweet Spot; wie zwei Lautsprecher eine Quelle zwischen sich erzeugen, die Phantomschallquelle. Beide beschreiben das Prinzip, das die Wellenfeldsynthese hinter sich lassen will.

Das ähnlich klingende Bassverfahren steht bei WaveForming und in seiner Ausbaustufe bei Cylindrical WaveForming. Die Bündelung einer Lautsprecherzeile erklärt Beamforming.

Die dritte Darstellungsform des Tons und ihre Mathematik behandelt Ambisonics und szenenbasierter Ton; wie Kanäle und Objekte sich unterscheiden, die Seite zum objektbasierten Ton. Was die Ziffern eines Aufbaus bedeuten, klärt die Kanal-Notation.

Quellen

Das Prinzip, seine Herleitung über das Huygens-Prinzip und das Kirchhoff-Helmholtz-Integral, die Zurückführung der Hüllfläche auf eine Linie von Sekundärquellen sowie die drei praktischen Einschränkungen — räumliches Aliasing, Trunkierung an den Array-Enden und die Beschränkung auf die Waagerechte — stammen aus Helmut Witteks Literaturübersicht zur Wahrnehmung synthetisierter Schallfelder von Dezember 2003, verfasst an der University of Surrey und am Institut für Rundfunktechnik München. Der Zusammenhang zwischen Lautsprecherabstand, Einfallswinkel und Aliasing-Frequenz sowie der Wert von rund einem Kilohertz bei achtzehn Zentimetern Abstand stehen auf der Forschungsseite von José J. López an der Universitat Politècnica de València.

Die Ursprungsarbeit ist A. J. Berkhouts Aufsatz „A Holographic Approach to Acoustic Control" von Dezember 1988; der Volltext liegt hinter der Bezahlschranke der Audio Engineering Society und wurde für diese Seite nicht eingesehen. Die Angaben zur Herkunft an der TU Delft stützen sich auf Witteks Referat der Arbeit.

Die Beschreibung der praktischen Umsetzung — individuelles Signal je Lautsprecher, Arrays um den gesamten Wiedergaberaum, Berechnung in Echtzeit, fokussierte Quellen und MPEG-4 als Übertragungsformat — stammt aus dem Informationsblatt des Fraunhofer-Instituts für Digitale Medientechnologie. Die Angaben zum Ilmenauer Kino mit 192 Lautsprechern stehen in einer Meldung der Pressestelle der Technischen Universität Ilmenau vom Februar 2003. Die Zahlen zum Hörsaal H104 mit über 2 700 Lautsprechern, 832 Kanälen und rund 640 Plätzen stammen von der Projektseite des Fachgebiets Audiokommunikation der Technischen Universität Berlin.