Die Grenzen eines Equalizers

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Dieses Thema befasst sich mit einer wichtigen Frage: Warum genügt ein Equalizer nicht, um akustische Probleme zu beheben? Es gibt jede Menge von Geräten, die für sich Anspruch nehmen, Raumresonanzen korrigieren zu können; weshalb also sollte sich jemand mit zusätzlichen akustischen Maßnahmen, Bass Traps (Bassfallen, A.d.Ü.),Absorbern und dem ganzen Zeug herumschlagen? Technik als Rettung, oder?


All das sind wichtige Fragen; versteht man die Antworten darauf, kann einem das sehr dabei helfen, Akustik im Allgemeinen zu verstehen. Es gibt ein paar Stellen, an denen die Antwort ein wenig technisch gerät, aber über weite Strecken kann man den Erklärungen ziemlich mühelos folgen. Auf dem Weg zur Beantwortung der obigen Fragen werden wir uns mit den Antworten auf zwei weitere Fragen auseinandersetzen:

Warum spielt die Phase eine Rolle? Warum sollte ich statt des Frequenzganges das Zeitsignal in Augenschein nehmen?


Was bewirkt ein Equalizer?

Zunächst müssen wir einmal schauen, was ein Equalizer für uns tun kann. Die grundlegende Funktion eines Equalizer ist es, den Frequenzgang zu ändern. Wir können ihn dazu nutzen, alle Frequenzen im Frequenzgang gleich zu machen - der Name spricht für sich! Spezielle Equalizer werden mitunter so beschrieben, als ob sie im Frequenzbereich oder im Zeitbereich wirken oder aber gleichzeitig in beiden Bereichen. Tatsächlich aber wirken alle Equalizer ausnahmslos im Zeit- und im Frequenzbereich und zeigen in beiden Bereichen Wirkung.


Wo stößt die Anwendung von Equalizern an ihre Grenzen?


Die Position ist alles


Bevor uns daran machen, einen Equalizer einzustellen, um den Frequenzgang zu ändern, müssen wir zunächst einen Frequenzgang sehen, der einzustellen ist, deshalb müssen wir eine Messung durchführen. Das führt zur ersten Einschränkung. Die Messung wird an einer einzigen Stelle durchgeführt, und der Frequenzgang hat deshalb auch nur an dieser Stelle Gültigkeit; bringen wir das Mikrofon an einen anderen Platz und führen wir eine erneute Mesung durch, erhalten wir einen anderen Frequenzgang. Dieser kann lediglich ein klein wenig, oder aber (und so ist es für gewöhnlich) sehr unterschiedlich sein. Die Änderungen, die von einem Equalizer auf dem Weg zum Lautsprecher vorgenommen werden, unterscheiden sich nicht, ganz gleich, wo wir uns im Raum befinden. Da sich nun der Frequenzgang in unterschiedlichen Positionen verändert, der Equalizer aber nicht, liegt es nahe, dass der Equalizer nur in jenen Positionen gut ist, wo der Frequenzgang der gleiche ist wie jener, den wir benutzt haben, als wir den Equalizer eingestellt haben.


Liest man die Werbetexte für Equalizer, ist es fast verzeihlich, wenn man glaubt, dass ein paar clevere Köpfe irgendwo einen Weg gefunden haben, um dies zu umgehen. Stimmt aber nicht! Am besten schaut man sich die Frequenzgänge, die an vielen Positionen in dem Bereich gemessen wurden, wo die Verbesserung funktionieren soll, an, findet heraus, welche Bits davon hinreichend verbreitet sind, und entwickelt dann eine kompromissfähige Einstellung des Equalizers, die an den meisten Stellen etwas nützt und an den restlichen nicht schadet. Das kann helfen, ist aber keine Patentlösung.


Was geschieht aber, wenn ich nur an einer einzigen Stelle zuhöre?

Wenn also der Equalizer nur an einer einzigen Position gut funktioniert und ich aber auch nur an einem einzigen Platz sitze, wo liegt denn dann das Problem? Ganz einfach darin, dass sehr kleine Bewegungen schon große Unterschiede bewirken. Bei hohen Frequenzen ist die Wellenlänge des Schalls sehr kurz. Bei 20 kHZ beträgt sie gerade einmal 17 mm, etwas 5/8 inch. Der Frequenzgang verändert sich bei hohen Frequenzen über sehr kurze Entfernungen dramatisch; selbst wenn man an einer Stelle sehr still verharrt, ist das Höchste der Gefühle eine Einstellung des Equalizers, die bis zu ein paar wenigen kHz funktioniert. Für einen angemesseneren Bewegungsradius sind einige wenig Hz wahrscheinlicher.


Lösung

Daher sind wir bereit, einige Kompromisse zu schließen. Ein idealer Punkt reicht aus und wenn man den Frequenzgang bis zu wenigen Hundert Hz festlegt, würde das tatsächlich eine Menge bewirken. Er ist normalerweise überall ganz niedrig. Deshalb nehmen wir jetzt unseren Equalizer und beginnen mit der Einstellung. Und schon müssen wir uns dem nächsten Problem stellen: Die Einstellungen scheinen nicht korrekt zu funktionieren. Nehmen wir einmal an, der Frequenzgang zeigt bei 100 Hz einen 6 dB Einbruch an. Wir erhöhen hier um 6 dB und stellen die Bandbreite so ein, dass es dem Einbruch entspricht, den wir gesehen haben. Doch der Frequenzgang hat sich kaum verändert, vor allem in der Mitte des Einbruches. Was ist hier los? Das Problem liegt wahrscheinlich bei der Auflösung der Messung. Solltest Du z. B. einen 1/3 Octave Real-Time Analyser verwendet haben, um den Frequenzgang zu messen, umfasst der Balken bei 100 Hz tatsächlich eine Bandbreite von 89 bis 112 Hz. Dieser 6 dB Einbruch wird wahrscheinlich durch einen viel größeren, aber schmaleren Einbruch innerhalb dieser Bandbreite von 23 Hz verursacht. Du musst eine hochauflösende Messung durchführen, um zu sehen, was hier abläuft. Ein Real-Time Analyser wird für diese Arbeit nicht ausreichen.


Aussteuerungsreserve

Der Real-Time-Analyser hat das Geschehen nun verlassen und wir stellen hochauflösende Messungen an. Und sie sehen schrecklich aus. Es gibt große Spitzen und einige gewaltige, schmale Einbrüche. Der 6 dB Einbruch, den wir bei 100 Hz beobachtet haben, erweist sich als 17 dB Einbruch bei 98 Hz. Kein Problem, der Equalizer ermöglicht eine Eingangsverstärkung von bis zu 24 dB. Doch beim Hören tauchen nun massive Verzerrungen auf. Wir haben keine Aussteuerungsreserve mehr und überall liegt Übersteuerung vor. Selbst wenn man dann mit den Pegeln etwas spielt, um die Klippung zu beseitigen, ist das Ergebnis, selbst wenn man nur ganz knapp neben dem idealen Punkt liegt, viel, viel schlechter. Deutliche Einbrüche im Frequenzgang selbst bei sehr niedrigen Frequenzen reagieren sehr empfindlich auf den Standort. Die Empfindlichkeit bezüglich des Standortes und die Probleme mit der Aussteuerungsreserve bedeuten, dass wir mit dem Equalizer nichts bewirken können. Das Beste, was wir tun können, ist, uns der breiten, flachen Einbrüche anzunehmen und an den Pegelspitzen zu arbeiten.


Minimum phase and all that

We know most of the limitations of the equaliser now. We moved things around a bit and used a few absorbers and got rid of the worst of the dips. After a lot of painstaking tweaking of the EQ the frequency response is actually pretty flat. But it still sounds awful. So now what is going on?

The next few paragraphs get a little more technical, but it is worth sticking with it. Equalisers are, with a few exceptions, minimum phase devices (some are linear phase, but that doesn't help with the problem facing us). When we make an adjustment to the frequency response on the EQ, we also change the phase response, an often ignored part of the measurement we made. We need to take a short diversion to look at why we should care about the phase.

Why does phase matter?

Measurement software measures the Transfer Function of the system it is hooked up to. The transfer function has two parts, the familiar frequency response, and the phase response. Systems can have the same frequency response but actually have totally different effects on signals passed through them - the difference lies in their phase responses. As a simple example of how big a difference phase can make, consider the results from measuring two very different signals: an impulse and a period of periodic noise. Both of these signals have perfectly flat frequency responses, looking at the frequency responses we could not tell them apart. The time signals obviously look completely different, so what happened to that difference when the signal went through an FFT to make the frequency response? It is all in the phase responses. The impulse has zero phase at all frequencies. The periodic noise has random phase. Just as looking at frequency response alone cannot tell us what a signal looks like, looking at the frequency response of a transfer function alone cannot tell us what the system does to signals that pass through it, we have to look at the phase response as well.

So the answer to why our system, with its nicely flattened frequency response, still doesn't sound right lies in the phase response. Room responses are, for the most part, not minimum phase. The technical explanation of that probably would not help with our understanding of the problem we are faced with, but the outcome is this: we can do almost what we like with the frequency response (within the limits we have discussed already) but the phase response is beyond the reach of our EQ. Anything we do in the EQ's frequency response adjustments will have a corresponding effect in the phase response, and while the frequency response adjustment we make can be equal and opposite to the room's frequency response, the same is not true of the phase. That is what it means for the room not to be minimum phase, it has done things to the phase of the signal that we cannot mirror in our EQ. Fixing the frequency response but not the phase response means we cannot make the time signal look like it did before the room got hold of it, however much time we spend fiddling with the EQ. We have hit the limit.

The value of looking at time signals

That brings us to another item I said we would touch on, the value of looking at time signals and not just at frequency responses. The frequency response is only half of the description of what the system is doing to signals that pass through it, the phase response is the other half. Trying to understand systems by looking at the frequency response alone is like trying to understand a book by reading only the even numbered pages. To really understand you need to look at both. That is a bit problematic, however. The frequency response is fairly easy to understand, but the phase response doesn't give up its secrets quite so easily. To properly use it we end up looking at various quantities derived from it, such as group delay or phase delay. It gets complicated. But there is an alternative.

The systems we measure can be described in two ways: in the frequency domain by their transfer function (frequency and phase responses) or in the time domain by their impulse response. They are two views of the same system, the transfer function is the FFT of the impulse response and the impulse response is the inverse FFT of the transfer function. To study how the system behaves and what it does to signals, we can look at both. The impulse response has the benefit that it captures all the information in one signal, which puts it one up on the transfer function, though it is not as immediately intuitive as a frequency response. It readily gives up information that is less easily spotted in the transfer function though, such as early reflections or the slow decays of room modes. It is well worth taking some time to become familiar with the impulse response and some of the quantities derived from it, such as the impulse response envelope (aka ETC).

Does EQ help or not?

Given all the limitations we have uncovered, and with the problem of non-minimum phase on top, we might wonder whether the equaliser is any good to us. All is not lost, however. The non-minimum phase behaviour of the room is connected to the dips in the response. It means we are even less able to deal with them, but there wasn't a lot we could do about them anyway, so we are really not much worse off. On the plus side, the peaks of the response are caused by features that lie firmly in the region our minimum phase equaliser can handle. We can use the equaliser to help tame the peaks, and the lower down they occur, the better the results we are likely to get - a nice complement to our acoustic treatments, since they start to struggle (or we start to struggle with the size of them!) at low frequencies. EQ is a useful tool to keep handy when trying to fix our acoustical problems, but it can only ever be a small part of the solution.

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