Subwoofer-Phase: Wie funktionieren Phasenschalter, Phasenregler und Delay wirklich?

Kaum ein Thema wirft im Heimkino so viele Fragen auf, wie die Phase des Subwoofers. Was bedeutet das eigentlich, die Phase auf 180° anstatt 0° zu stellen? Und wo ist der Unterschied, ob du dafür einen Schalter oder einen Drehregler zur Verfügung hast? Was Phasenschalter und Phasenregler wirklich bewirken und wie du am besten damit umgehst, erfährst du hier.

Generell dienen Einstellungen zur Phase an einem Subwoofer dazu, die vom Subwoofer erzeugten Schallwellen an die Wellen der Hauptlautsprecher anzugleichen. Das ist insbesondere im Bereich der Trennfrequenz (Übergang des Tieftons von den Hauptlautsprechern auf den Subwoofer) wichtig. Lies dazu auch unsere Erklärung zu Subwoofer-Einstellungen.

Die Phase: ein Problem, zwei Lösungen

Nahezu jeder aktive Subwoofer hat an der Rückseite eine von zwei Einstellmöglichkeiten für die Phase:

• entweder einen Phasenschalter mit zwei Stellungen: für 0° und 180°
• oder einen Phasendrehregler mit stufenloser Einstellung von 0° bis 180°

Die wenigsten wissen aber, dass es sich dabei um zwei völlig unterschiedliche Funktionen handelt, die nur aufgrund der gängigen Beschriftung eine Ähnlichkeit vermuten lassen.

Um zu verstehen, dass Phasenschalter und Phasendrehregler zwei völlig unterschiedliche Dinge sind, müssen wir uns zuerst genauer anschauen, was der Subwoofer dabei jeweils mit dem Eingangssignal macht, bevor er es von seiner Membran in hörbaren und fühlbaren Schall umwandeln lässt.

Als Beispiel nehmen wir einen 20 Hz Sinuston wie hier gezeigt. Daran lässt sich am einfachsten erklären, was mit den Angaben in Grad gemeint ist. Vier Stellungen sind dabei von Bedeutung:

1. Der Beginn der Sinuskurve entspricht 0°. Die Membran befindet sich in Ruhestellung.
2. Das Signal steigt dann an, bis es die erste Spitze erreicht. Die Membran wird nach außen geschoben und drückt die Luft um sie herum weg. Dieser Punkt ist bei 90° des Kurvenverlaufs erreicht.
3. Dann fällt das Signal wieder ab und durchschreitet wieder die Nullstellung bei 180°.
4. Dann fällt das Signal in den negativen Bereich ab und erreicht dort seinen Spitzenwert. Die Membran wird nach innen gezogen und sorgt für einen Unterdruck um den Subwoofer herum, der dazu führt, dass die Luft zurückgezogen wird. Hier sind 270° der Sinuskurve erreicht.

Zuletzt fällt das Signal zurück in die Neutralstellung bei 360°, was zugleich die 0° der nächsten Welle sind. Die Membran geht zurück in Nullstellung. Aber das Spiel geht ohne Unterbrechung von vorne los, wenn weitere Schallwellen folgen sollen.

Dieser Ablauf dient uns als Ausgangslage für alle weiteren Überlegungen. Die mit „Phase“ beschrifteten Schalter an einem Subwoofer dienen dazu, das Signal zu manipulieren und damit die Bewegungen der Membran zu beeinflussen, wie wir es möchten.

Phasenschalter

Die technisch einfachste Einstellung ist dabei ein Phasenschalter. Er hat zwei Stellungen, 0° und 180°. Immer öfter wird er aber mit normal und invertiert beschriftet, was um einiges korrekter ist – oder zumindest weniger verwirrend.

Sehen wir uns einmal an, was es bewirkt, wenn du den Phasenschalter in die Stellung invertiert bzw. 180° bringst:

Das Signal wird dabei einfach umgekehrt. Man könnte auch sagen: die Welle wird gespiegelt. An den Stellen, wo die Membran eigentlich nach außen gedrückt werden sollte, wird sie jetzt nach innen gezogen. Dort wo sie nach innen gezogen werden sollte, wird sie jetzt nach außen geschoben. Der Subwoofer arbeitet also einfach „andersherum“.

Den gleichen Effekt erreichst du bei einem passiven Subwoofer oder einem beliebigen anderen passiven Lautsprecher, wenn du ihn verpolt anschließt: Plus an Minus und Minus an Plus. Das Signal steht Kopf.

Phasenregler

Ein Phasendrehregler macht etwas völlig anders. Er erlaubt die stufenlose Einstellung der Phasenlage in einem Bereich von 0° bis 180°. Jeder Zwischenschritt ist möglich – seien es 90° oder 32° oder 167,38° (so genau wirst du es nicht treffen).

Wenn du den Phasendrehregler auf 180° aufdrehst, sieht die Sinuswelle so aus:

Zunächst passiert gar nichts. Das Signal wird zurückgehalten – das heißt, es wird zeitlich verschoben, bis es normalerweise seinen 180°-Punkt erreicht hätte (der Durchlauf durch den Nullpunkt, nachdem die Membran erstmals nach vorne gedrückt wurde).

Erst dann geht es ganz normal los: Signal hoch und Membran nach vorne, Signal runter und Membran nach hinten.

Wie du siehst, kommt das einer Invertierung zunächst augenscheinlich gleich. Der einzige Unterschied ist das Fehlen der ersten Halbwelle am Anfang des Signals. Diese würde stattdessen am Ende ausgegeben.

Ein Phasendrehregler ist also zunächst nichts anderes als eine Art Zeitverzögerung, die bis zu einer halben Wellenlänge einstellbar ist. Was das für ein Problem aufwirft, dazu komme ich gleich.

Kombinationen

Zuvor sollte ich der Vollständigkeit halber aber erwähnen, dass es mittlerweile auch andere Lösungen gibt. Subwoofer werden immer moderner, manchmal sogar digitaler.

In einigen werden inzwischen digitale Soundprozessoren (DSP) verbaut, die eine weitaus flexiblere Manipulation des Signals mit diversen Filtern zulassen. Hier kannst du Zeitverzögerung und Invertierung getrennt voneinander einstellen, nicht nur eines davon.

Um bei eher typischen Aktivsubwoofern zu bleiben, die nur über klassische Bedienelemente oder einfache Menüs verfügen, sei hier aber eine Sonderlösung erwähnt, die zum Beispiel beim Nubert AW-443 eingesetzt wurde. Dieser verfügt über einen Phasendrehregler, der von 0° bis 150° wie gewohnt für eine Phasenverschiebung, also eine Zeitverzögerung sorgt. Stellt man ihn hingegen endgültig auf 180° ein, so ändert sich die Funktionsweise automatisch in eine Invertierung der Phase.

Daran siehst du, wie wichtig es ist, sich mit der Bedienungsanleitung seiner Geräte auseinanderzusetzen: um spezielle Funktionen wie diese voll und ganz zu verstehen.

Was genau sind 180°?

Eingangs hatte ich erwähnt, dass es eigentlich falsch ist, einen Phasenschalter mit 0° und 180° zu beschriften, weil hier keine Verschiebung stattfindet, sondern eine Invertierung. Die besseren Bezeichnungen sind normal und invertiert.

Ein Phasendrehregler wirft eine ähnliche Frage auf. An der folgenden Grafik siehst du, was genau passieren sollte, wenn du die Phase langsam von 0° auf 180° drehst und dabei jeden denkbaren Zwischenschritt mitnimmst:

Spätestens hier erkennst du, dass es sich augenscheinlich nur um eine Zeitverzögerung des Signals handelt. 180° ist gleichbedeutend mit der Verzögerung um eine halbe Welle.

Moment mal… von welcher Wellenlänge sprechen wir eigentlich?

Im Beispiel habe ich eine Frequenz von 20 Hz gewählt – also 20 vollständige Schwingungen pro Sekunde. Daraus ergibt sich, dass eine Schwingung (vor, zurück und wieder in die Ausgangslage) 0,05 Sekunden dauert, also 50 ms. Eine Verschiebung um eine halbe Welle entspricht somit einer Zeitverzögerung von 25 ms.

Was passiert jetzt aber, wenn wir einen 40 Hz Ton wiedergeben? Eine Verdoppelung der Frequenz bedeutet die Halbierung der Wellenlänge. Jetzt dauert eine vollständige Schwingung nur noch 25 ms. Eine Verschiebung um eine halbe Wellenlänge (180°) kommt hier nur noch einer Zeitverzögerung von 12,5 ms gleich.

Merkst du was?

Wenn man mit einer einfachen Zeitverzögerung des gesamten Signals die Phase um 180° „verschieben“ will, kann das immer nur für eine bestimmte Frequenz erfolgen. Man könnte zum Beispiel sagen:

„Ich verschiebe die Phase um 90° bei 40 Hz,“

womit gemeint wäre, dass eine Zeitverzögerung von 6,25 ms bewirkt wird. Für jede andere Frequenz würde die Verschiebung nicht um 180° erfolgen, sondern um einen entsprechend anderen Wert.

Daher ist eine einfache Zeitverzögerung nicht die Antwort auf die Frage, was der Phasendrehregler macht.

Wenn der Subwoofer eine echte Zeitverzögerung (Delay) anbietet, was viele modernere Geräte inzwischen machen, dann muss dieser Regler auch entsprechend beschriftet sein und eine Skala in Millisekunden aufweisen.

Haben wir es hingegen mit einem klassischen Drehregler mit der Beschriftung „Phase“ von 0° bis 180° zu tun, passiert etwas geringfügig anderes.

Der Allpassfilter

Jetzt kommt der echt üble Kram – also wenn du aussteigen willst, dann wäre das der richtige Zeitpunkt.

Der Drehregler, der die Phase von 0° bis 180° dreht, ist tatsächlich ein Allpassfilter. Ein Allpassfilter ist zunächst mal ein Filter, der alle Frequenzen passieren lässt (im Gegensatz zu einem Tiefpass- oder Hochpassfilter, der nur tiefe oder hohe Frequenzen passieren lässt – ersteren haben die meisten Subwoofer auch).

Dabei weist ein Allpassfilter aber noch eine andere Eigenschaft auf: Er kann bestimmte Frequenzen verzögern. Damit wird plötzlich das möglich, was ich etwas weiter oben noch als unlogisch bezeichnet habe.

• Der Filter kann 20 Hz um 12,5 ms verzögern, um eine Phasenverschiebung von 180° zu erreichen.
• Gleichzeitig kann er 40 Hz aber um 6,25 ms verzögern, damit auch hier die Phasenverschiebung 180° beträgt.

Plötzlich ergibt der Regler wieder einen Sinn. Wenn du ihn auf 180° einstellst (oder einen anderen Wert dazwischen), passt der dahinterliegende Allpassfilter jede eintreffende Frequenz so an, dass sie entsprechend ihrer jeweiligen Wellenlänge verzögert wird, um auf die gewünschte Phasenverschiebung zu kommen.

Im Folgenden gehen wir weiterhin von einer gleichmäßigen Zeitverzögerung aus. Diese Funktion ist erheblich weniger verwirrend, wenn man darüber nachdenkt, und zudem in unseren Heimkinosystemen die gängigere Lösung. Denn:

Nicht nur der Subwoofer hat diese Funktionen

Wir sprechen hier also die ganze Zeit über zwei Kernfunktionen, die der bestmöglichen Anpassung des Tiefbass-Bereichs zwischen Subwoofer und Hauptlautsprechern dienen.

• Phaseninvertierung und
• Phasenverschiebung oder Zeitverzögerung

… wobei die Zeitverzögerung gegenüber der echten Phasenverschiebung der in der Praxis gängigere Weg ist. Es gibt mindestens zwei andere Arten von Geräten, die genau diese Funktionen auch haben.

Invertieren und verzögern am AV-Receiver

Ein halbwegs moderner AV-Receiver – so lange es nicht gerade das allergünstigste Einsteigermodell ist – hat für den Subwoofer-Ausgang normalerweise zwei Einstellungen:

• Über die Einstellung der Entfernung, die durch das automatische Einmesssystem ermittelt wird, ermittelt er intern die passende Zeitverzögerung für den Subwoofer. Du kannst diesen Wert normalerweise manuell anpassen. (Was nicht heißt, dass du das tun solltest.)
• Auch ein Invertieren des Subwoofer-Signals ist möglich. Eventuell musst du dazu angeben, dass sich der Subwoofer hinten im Raum befindet – aber normalerweise ist es eine separate Einstellung.

Damit bist du am Ende sogar wesentlich flexibler als mit einer einzelnen Einstellung am Subwoofer. Es kann durchaus sinnvoll sein, das Signal zu invertieren und zu verzögern.

Phasenanpassung in DSPs

Wenn du ein separates DSP zwischen AV-Receiver und Subwoofer schaltest (sehr beliebt ist dafür das minidsp 2×4 HD) kannst du noch wesentlich detailliertere Anpassungen am Subwoofer-Signal vornehmen.

Phaseninvertierung und Zeitverzögerung (Delay) gehören zu den absoluten Basics jedes Digitalen Soundprozessors. Darüber hinaus bekommst du einen flexiblen Equalizer und viele weitere nützliche Tools.

Auch verschiedene professionelle Aktiv-Subwoofer verfügen heute über ein eingebautes DSP. Damit sieht die Sache natürlich nochmal etwas anders aus. Zum Beispiel hat die Pro-Serie von SVS dadurch schon wieder einiges mehr zu bieten, als herkömmliche Subwoofer.

Phase invertieren vs. Zeitverzögerung – Der alles entscheidende Unterschied

An den Grafiken oben erkennst du sehr schön, dass eine Invertierung der Phase und eine Zeitverzögerung zu einem sehr ähnlichen Ergebnis führen können. Der einzige Unterschied scheint die fehlende Halbwelle am Anfang zu sein. Die Zeitverzögerung ist dabei das flexiblere Instrument, weil sie nicht nur umdreht, sondern jeden denkbaren Zwischenstand herstellen kann.

Aber der Schein trügt. Lass mich an dieser Stelle eine ganz entscheidende Sache klarstellen. Auch wenn eine Ähnlichkeit in der Wellenform besteht…

Die Phase zu invertieren ist nicht das gleiche, wie eine Zeitverzögerung um eine halbe Wellenlänge zu erzeugen!

Nein, was dabei passiert, hat nicht mal annähernd eine Ähnlichkeit. Um das zu verstehen, müssen wir uns eine Sache klarmachen:

Sound besteht nicht nur aus Sinustönen

Wir haben bisher nur einen einfachen Sinuston mit einer Frequenz von 20 Hz betrachtet. Verschiebt man dessen Phase um 180° bzw. führt eine Zeitverzögerung um eine halbe Wellenlänge aus, so erhält man zwangsläufig ein Ergebnis, dass einer Invertierung sehr nahe kommt. Hier nochmal die Grafik:

Nun ist es aber so, dass wir uns nicht den ganzen Tag lang Sinustöne anhören. Also, kann man schon machen – ich weiß nicht wie du es damit hältst – aber ich persönlich finde Sinustöne eher langweilig.

In der Realität sehen Schallwellen anders aus. Alle realen Geräusche – sei es ein tiefes Erdbeben-Grummeln, eine Stimme oder ein pfeifender Vogel – sind komplexe Wellenformen. Das heißt, sie verlaufen nicht so schön gleichmäßig hoch und runter wie oben gezeigt.

Langsame und schnelle Schwingungen vermischen sich miteinander. Eine Schallwelle mit hoher Frequenz kann auf einer Schallwelle mit niedriger Frequenz „mitfahren“. So sieht es zum Beispiel aus, wenn sich zum unserem 20 Hz Sinuston ein 200 Hz Sinuston mit geringerer Lautstärke hinzugesellt:

Verschiedene einzelne Töne eines Musikstücks oder eines Films vermischen sich in der Endabmischung zu einer einzigen Wellenform, die in der Summe die gewünschten Geräusche ergibt. Alles was du Tag für Tag über Lautsprecher oder Kopfhörer auf die Ohren bekommst, funktioniert so.

Hier ist ein Beispiel eines beliebigen Bassimpulses, den ich aus einem Musikstück entnommen habe. Es handelt sich um den Bruchteil einer Sekunde – ich habe es so skaliert, dass man etwas erkennen kann.

Davon ausgehend können wir einmal die Phase invertieren und zum Vergleich eine Zeitverzögerung von ungefähr einer halben Wellenlänge anwenden, um zu erkennen:

Warum es nicht das gleiche ist, die Phase zu invertieren oder das Signal zu verzögern

Zuerst invertieren wir die Phase dieses Ausschnitts einer komplexen Wellenform. Das ist ziemlich einfach, so ziemlich jede Audio Software kann das:

Und zum Vergleich verzögern wir das Signal einmal um einen Wert, der in etwa die Hälfte einer Schwingung sein dürfte:

Zum Vergleich liegt jeweils die ursprüngliche Wellenform im Hintergrund.

Und nun vergleichen wir einmal die invertierte Wellenform mit der zeitverzögerten Wellenform:

Du siehst: Es ist etwas völlig anderes, ob eine Schallwelle invertiert wird, oder ob man sie um eine halbe Wellenlänge zeitlich verzögert.

Was bei einem Sinuston logisch bedingt zum nahezu selben Ergebnis führt, ist bei einer komplexen Wellenform, wie sie in der Realität fast ausschließlich vorkommt, etwas völlig anderes.

Wozu hat ein Subwoofer diese Einstellungen?

Zuletzt stellt sich diese Frage berechtigterweise. Warum der ganze Zirkus am Subwoofer, wenn die Empfehlung am Ende lautet, einfach alles auf Null zu lassen, damit der AV-Receiver es richten kann?

Nun, Subwoofer werden ja nicht nur für Heimkino-Mehrkanalsysteme gebaut. Ein AV-Receiver, der alles vorberechnet, ist nicht das einzige Gerät, an das man einen Subwoofer anschließen kann.

Ich meine, du könntest aus einem Subwoofer auch einen Massagesessel bauen oder einen Katzenstaubsauger. Aber viel legitimere Anwendungsfälle sind reine Stereo-Systeme. Hochwertige HiFi-Verstärke haben meistens keine Möglichkeit, ein Subwoofer-Signal zu extrahieren und sinnvoll aufzubereiten.

Daher ist es grundsätzlich schon sinnvoll, dass ein Subwoofer über diese Funktionen verfügt (genau wie übrigens der Low Pass Filter). Aber das heißt ja nicht, dass man sie zwingend verwenden muss.

Auch wenn du jetzt in erster Linie nur eines weißt: nämlich dass du den Phasenschalter bzw. Phasendrehregler einfach in Ruhe lassen solltest – so solltest du nun doch zumindest erheblich mehr Verständnis dafür haben, was im Hintergrund wirklich passiert.

Subwoofer und Tiefbass sind eines der komplexesten Themen im Heimkino und verdienen alleine deshalb besondere Aufmerksamkeit. Ein gewisses Grundverständnis für die Vorgänge im Hintergrund sind dafür der erste Schritt.