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Wellenfeldsynthese – Perfekte Klangwelten aus dem Labor für das Wohnzimmer?

Wellenfeldsynthese bezeichnet ein fortschrittliches Audiowiedergabeverfahren, das bereits heute in begrenztem Maße zum Einsatz kommt. Entwickelt hat es der niederländische Physiker Berkhout Ende der 1980er-Jahre. Im Gegensatz zu den Mehrkanalsystemen, die heute Standard in Wohnzimmern, Kino- und Theatersälen sind, ermöglicht die Wellenfeldsynthese eine herausragende Klangqualität unabhängig von der Hörposition innerhalb eines Hörbereichs. Das mag für manch einen zunächst sehr abstrakt klingen – aber wir erklären das Prinzip und die Besonderheit des Verfahrens.

Herkömmliche Mehrkanalsysteme und ihre Schwäche

Mehrkanalsysteme können fraglos ein sehr hohes klangliches Niveau erreichen. Allerdings haben sie Schwächen, die physikalisch begründet sind und selbst bei aufwendigen Anlagen bestehen bleiben. Ein Beispiel: Immer wenn zwei oder mehr Lautsprecher im Einsatz sind, nehmen wir als Hörer sogenannte Phantomschallquellen wahr. Wir lokalisieren dabei also nicht die Lautsprecher als Schallquellen, sondern „virtuelle“ Geräuschaussender, die in der Wahrnehmung zwischen den Lautsprechern liegen. Bei idealer Einstellung befindet sich die Phantomschallquelle mittig auf Höhe der Lautsprecher.

Phantomschallquellen sind aber nicht mit echten Schallquellen vergleichbar, da ihre Position von der Hörerposition abhängt. Das ist bei einer nicht-aufgenommenen, tatsächlich anwesenden Schallquelle wie etwa einer Geige anders. Diese lokalisieren wir immer am selben Ort, unabhängig davon, wo wir uns selbst im Raum befinden. Durch die Abhängigkeit der Phantomschallquellen von der Hörposition existiert auch der sogenannte Sweet Spot, den wir in einem unserer Beiträge bereits beschrieben haben. Der Sweet Spot bezeichnet die Tatsache, dass es bei Mehrkanal-Anlagen – ob nun Stereo-, 5.1- oder 7.1-Systeme – für den Hörer einen Punkt gibt, an dem der Höreindruck optimal ist.

Die Wellen der verschiedenen Schallquellen erreichen den Hörer im Sweet Spot so, dass sich ein ausgewogenes, sehr gut differenziertes Klangbild ergibt. Auf einen solchen Bereich angewiesen zu sein, hat allerdings Nachteile. Ihn zu finden ist bereits nicht einfach, häufig werden Hilfssysteme dafür verwendet und bisweilen erlauben es die räumlichen Bedingungen nicht, ein Mehrkanalsystem so aufzustellen, dass ein Sweet Spot überhaupt entstehen kann. Bewegungen im Raum gehen ohnehin mit einem schlechteren Klang einher und wenn sich größere Gruppen in einem Raum befinden, gibt es immer Personen, die nicht im optimalen Hörbereich sitzen. Dieser Nachteil wäre behoben, wenn auch bei mehreren Lautsprechern wahrgenommene Schallquellen ortsstabil erscheinen. Hier kommt die Wellenfeldsynthese ins Spiel.

Die physikalische Grundlage der Wellenfeldsynthese

Mit der Wellenfeldsynthese können nun Schallwellen so erzeugt werden, dass sie echte, ortsstabile Schallquellen simulieren. Eine wichtige physikalische Grundlage für dieses Wiedergabeverfahren hat der Niederländer Christiaan Huygens bereits im 17. Jahrhundert formuliert. Jede Welle bzw. Wellenfront ist als Überlagerung von Elementarwellen zu verstehen. Elementarwellen bilden durch Überlagerungseffekte (Interferenzen) eine Wellenfront. Als Elementarwellen bezeichnet man in der Physik sich nach allen Seiten ausbreitende Kugelwellen. Das klingt möglicherweise nicht unmittelbar vertraut, ist aber ganz typisch für die übliche Ausbreitung von Wellen – seien es Wasserwellen, Schallwellen oder Lichtwellen. Formuliert man das huygensche Prinzip etwas um, besagt es, dass jede Wellenfront durch Elementarwellen erzeugt werden kann. Genau das macht sich die Wellenfeldsynthese zunutze.
Wem das zu viel graue Theorie war, der sollte sich dieses Telekolleg-Video anschauen, das Grundlagen der Wellentheorie sehr gut veranschaulicht:

Die Wellenfeldsynthese – der Sweet Spot ist überall

Bei der Wellenfeldsynthese werden also Elementarwellen erzeugt, um beliebige Schallquellen durch Interferenzeffekte virtuell zu erzeugen. Das Verfahren kann sogar eine beliebige Anzahl von Schallquellen an beliebig vielen Positionen im Raum abbilden und so die ursprüngliche Aufnahmesituation nahezu identisch wiedergeben. Die Schallquellen können dabei so erzeugt werden, dass auch Schallreflexionen und damit Raumgegebenheiten der Aufnahmesituation viel genauer berücksichtigt werden als bei bisherigen Mehrkanalwiedergabe-Systemen.

Schematische Darstellung der Wellenfeldsynthese
Schematische Darstellung der Wellenfeldsynthese aus vielen Elementarwellen

Das klingt alles sehr vielversprechend, allerdings erfordert die Wellenfeldsynthese in der Praxis einiges an Aufwand. Es bedarf eines kreisförmigen Lautsprecherbandes, das den Hörbereich umgibt, um die Elementarwellen zu erzeugen. Je geringer der Abstand zwischen den Lautsprechern dabei ist, desto besser können virtuelle Wellenfronten aus Elementarwellen synthetisiert werden. Eines der größten Wellenfeldsynthesesysteme finden wir heute an der TU Berlin. Vereinzelt wenden auch Theater und Clubs die Wellenfeldsynthese an. Wer in Berlin ist und Lust auf eine Club-Nacht hat, kann den Club Tresor besuchen. Hier wummert eine IOSONO-Anlage mit über 600 Lautsprechern.

Die Wellenfeldsynthese für das Heimkino?

Echte Wellenfeldsynthese-Anlagen für sind für Privatkunden sicher weniger interessant. Der technische Aufwand und die Ansprüche an den Raum sind zu groß. Selbst der enthusiastischste Heimkino-Fan wird sicher bei bei der Herausforderung, mindestens 200 Lautsprecher zu Hause einzubauen, stark ins Grübeln kommen, wenn es nicht zuvor bereits ein preisbezogenes Veto durch die Haushaltskasse gab.  Noch reine Zukunftsmusik, aber immerhin vorstellbar, wäre eine computergesteuerte klangliche Simulation einer Wellenfeldsynthesen-Anlage.

Teufel bleibt natürlich in jedem Fall für Euch an den Entwicklungen dran. Wir werden Euch über die neuesten Trends auf dem Laufenden halten. Bis dahin empfehlen wir Euch einen Besuch einer Wellenfeldanlage.

Titelbild: ©Charles Hutchins, Array 2 Bestimmte Rechte vorbehalten. Quelle: Flickr.com
Bild 1: ©Helmut Oellers, Wfs Principle Bestimmte Rechte vorbehalten. Quelle: Wikimedia

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