Linkwitz-Riley oder Butterworth? PA-Filter erklärt

Wer eine PA-Anlage mit Subwoofern und Topteilen betreibt, muss die unterschiedlichen Frequenzbereiche sinnvoll auf die Lautsprecher verteilen. Dabei reicht es allerdings nicht aus, lediglich eine Trennfrequenz von beispielsweise 100 Hz einzustellen. Mindestens ebenso wichtig ist die Frage, welcher Filtertyp verwendet wird. Denn Linkwitz-Riley Filter, Butterworth-Filter und Bessel-Filter unterscheiden sich hinsichtlich ihres Frequenzgangs, ihrer Phasenlage und ihres zeitlichen Verhaltens. Das kann entscheidenden Einfluss darauf haben, wie gut Subwoofer und Topteile zusammenarbeiten.

Besonders beim Einsatz digitaler Lautsprechercontroller begegnen uns Bezeichnungen wie LR24, BW18 oder BES12. Doch was bedeuten diese Kürzel eigentlich? Warum wird Linkwitz-Riley mit 24 dB pro Oktave so häufig verwendet? Und weshalb können zwei Lautsprecher trotz identischer Trennfrequenz einen ungleichmäßigen Frequenzgang erzeugen? In diesem Tutorial erklären wir die wichtigsten Filtercharakteristiken, zeigen die technischen Unterschiede und demonstrieren anhand eines konkreten PA-Setups, wie sich verschiedene Filter am DSP-Controller vergleichen und sinnvoll einsetzen lassen.

Warum ist die Filtercharakteristik bei PA-Frequenzweichen so wichtig?

Eine Frequenzweiche teilt ein Audiosignal in unterschiedliche Frequenzbereiche auf. Bei einer typischen PA-Anlage mit Subwoofern und Topteilen werden beispielsweise die tiefen Frequenzen an die Subwoofer weitergegeben, während die Topteile den darüberliegenden Bereich übernehmen.

Dabei übernehmen Hochpass- und Tiefpassfilter die eigentliche Trennung. Ein Hochpassfilter (HPF) reduziert die Frequenzen unterhalb seiner eingestellten Grenzfrequenz. Ein Tiefpassfilter (LPF) senkt dagegen Frequenzen oberhalb seines Übergangsbereichs ab. Wie diese grundlegende Signalverteilung funktioniert und welche Unterschiede zwischen aktiven, passiven und digitalen Frequenzweichen bestehen, erklären wir bereits ausführlich in unserem Grundlagenartikel Was ist eine Frequenzweiche?.

Für die professionelle Systemabstimmung reicht dieses Grundwissen allerdings nicht aus. Denn zwei Filter können dieselbe angegebene Trennfrequenz besitzen und trotzdem zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Der Grund liegt in ihrer Filtercharakteristik. Sie bestimmt nicht nur, wie stark benachbarte Frequenzen gedämpft werden, sondern auch, welchen Pegel das Signal an der angegebenen Grenzfrequenz besitzt und wie sich seine Phasenlage verändert.

Diese Eigenschaften sind besonders wichtig, weil Subwoofer und Topteile im Übergangsbereich gleichzeitig Schall abstrahlen. Die beiden Signale müssen sich dort möglichst sinnvoll ergänzen, damit weder deutliche Überhöhungen noch unerwünschte Auslöschungen entstehen.

Was passiert im Übergangsbereich?

Stellen wir uns eine PA-Anlage mit einer Trennfrequenz von 100 Hz vor. Der Subwoofer erhält einen Tiefpassfilter und das Topteil einen Hochpassfilter. Nun könnte man vermuten, dass der Subwoofer alle Frequenzen unterhalb von 100 Hz vollständig übernimmt und das Topteil ausschließlich die Frequenzen darüber wiedergibt. Tatsächlich funktioniert eine klassische Frequenzweiche nicht wie ein scharfes elektronisches Tor. Die Filter reduzieren unerwünschte Frequenzen allmählich. Deshalb geben beide Lautsprecher rund um die Trennfrequenz einen Teil des gleichen Frequenzbereichs wieder.

Wie stark diese Überlappung ausfällt, hängt von der Filtercharakteristik und ihrer Flankensteilheit ab. Entscheidend ist zudem, mit welcher Phasenlage die Schallwellen am Hörplatz eintreffen. Treffen sie weitgehend phasengleich ein, können sich ihre Schalldrücke addieren. Bei ungünstiger Phasenlage kommt es dagegen zu teilweisen oder sogar weitgehenden Auslöschungen.

Butterworth-Filter erklärt: Möglichst flacher Frequenzgang im Durchlassbereich

Butterworth-Filter gehören zu den klassischen Filtercharakteristiken der Audiotechnik. Sie wurden nach dem britischen Ingenieur Stephen Butterworth benannt und zeichnen sich durch einen möglichst flachen Amplitudenfrequenzgang im Durchlassbereich aus. Das bedeutet, dass die durchgelassenen Frequenzen im idealisierten Filter keine wellenförmigen Pegelschwankungen aufweisen. Man spricht deshalb auch von einer maximal flachen Amplitudencharakteristik. Butterworth-Filter werden in zahlreichen Bereichen der Audiotechnik eingesetzt, beispielsweise in Frequenzweichen, Hochpassfiltern und anderen elektronischen Filterschaltungen.

Was bedeutet die Grenzfrequenz beim Butterworth-Filter?

Bei einem klassischen Butterworth-Filter liegt der Pegel an der definierten Grenzfrequenz um ungefähr 3 dB unterhalb des Durchlasspegels. Wird beispielsweise ein Butterworth-Tiefpass auf 100 Hz eingestellt, beträgt die elektrische Dämpfung bei dieser Frequenz etwa −3 dB. Dasselbe gilt für einen entsprechend eingestellten Butterworth-Hochpass. Die Bezeichnung −3 dB beschreibt hier zunächst die elektrische Filtercharakteristik. Sie sagt noch nichts darüber aus, welchen tatsächlichen Schalldruck ein angeschlossener Lautsprecher bei 100 Hz erzeugt. Schließlich besitzt jeder Lautsprecher bereits einen eigenen Frequenzgang und ein eigenes Phasenverhalten.

Butterworth und die Flankensteilheit

Butterworth-Filter können mit unterschiedlichen Filterordnungen realisiert werden. Je höher die Ordnung, desto steiler fällt der Frequenzgang außerhalb des Durchlassbereichs ab. Ein Butterworth-Filter zweiter Ordnung besitzt beispielsweise eine asymptotische Flankensteilheit von 12 dB pro Oktave. Ein Filter vierter Ordnung erreicht 24 dB pro Oktave. Im Übergangsbereich unterscheiden sich die konkreten Frequenzgänge allerdings von der einfachen Angabe der Flankensteilheit. Diese beschreibt vor allem das Verhalten weiter außerhalb des Durchlassbereichs.

Welche Nachteile besitzt Butterworth bei einer Frequenzweiche?

Wird ein Subwoofer mit einem Butterworth-Tiefpass und ein Topteil mit einem entsprechenden Butterworth-Hochpass betrieben, ergibt sich nicht automatisch ein linearer Summenfrequenzgang. Bei einem idealen Butterworth-Crossover vierter Ordnung liegen beispielsweise beide Filterzweige an der Trennfrequenz bei −3 dB. Sind ihre Signale dort phasengleich, addieren sie sich zu einer Pegelüberhöhung von etwa 3 dB. Bei anderen Filterordnungen kann sich die Phasenbeziehung unterscheiden. Deshalb lässt sich das Summenverhalten nicht allein anhand der beiden −3-dB-Werte vorhersagen.

Das bedeutet nicht, dass Butterworth grundsätzlich ungeeignet wäre. Vielmehr muss die gewünschte elektrische beziehungsweise akustische Summierung berücksichtigt werden.

Linkwitz-Riley Filter: Warum LR24 in PA-Systemen so verbreitet ist

Die Linkwitz-Riley-Charakteristik wurde entwickelt, um eine besonders günstige Addition benachbarter Lautsprecherwege zu ermöglichen. Sie geht auf Arbeiten von Siegfried Linkwitz und Russ Riley zurück. Das bekannteste Prinzip besteht darin, zwei identische Butterworth-Filter hintereinanderzuschalten. Dadurch entsteht eine neue Filtercharakteristik, die gezielt auf das Zusammenspiel mehrerer Lautsprecherwege ausgelegt ist.

Ein Linkwitz-Riley-Filter vierter Ordnung kann beispielsweise durch die Hintereinanderschaltung zweier Butterworth-Filter zweiter Ordnung erzeugt werden. Die resultierende Flankensteilheit beträgt 24 dB pro Oktave. Entsprechend wird diese Konfiguration häufig als LR24 oder LR4 bezeichnet.

Warum liegt ein Linkwitz-Riley-Filter bei −6 dB?

Ein wesentlicher Unterschied zu Butterworth liegt im Pegel an der Trennfrequenz.

Bei einem idealen Linkwitz-Riley-Filter vierter Ordnung besitzt sowohl der Hochpass- als auch der Tiefpasszweig an der Trennfrequenz eine Dämpfung von 6 dB. Beide Signale liefern dort somit jeweils ungefähr die Hälfte der ursprünglichen linearen Signalamplitude. Wenn sich diese Signale phasengleich addieren, entsteht wieder die ursprüngliche Amplitude. Daraus ergibt sich im idealisierten Fall ein linearer Summenfrequenzgang ohne Überhöhung im Übergangsbereich.

Genau diese Eigenschaft macht den Linkwitz-Riley-Filter für aktive PA-Frequenzweichen so interessant. Allerdings gilt diese ideale Summierung zunächst für die mathematischen Filterfunktionen beziehungsweise entsprechend abgestimmte akustische Übertragungsfunktionen. In einem realen Lautsprechersystem müssen weitere Faktoren berücksichtigt werden.

Was bedeutet LR24?

Die Bezeichnung LR24 setzt sich aus zwei Informationen zusammen:

LR steht für die Linkwitz-Riley-Filtercharakteristik. 24 beschreibt die asymptotische Flankensteilheit von 24 dB pro Oktave. Daneben existieren weitere Varianten wie LR12 und LR48. Die jeweilige Filterordnung bestimmt unter anderem, wie stark Frequenzen außerhalb des vorgesehenen Übertragungsbereichs reduziert werden. Für die professionelle PA-Technik ist LR24 besonders verbreitet, weil diese Charakteristik eine relativ steile Frequenztrennung mit einem im Idealfall günstigen Summenverhalten verbindet.

Warum ist LR24 nicht automatisch die beste Einstellung?

Obwohl LR24 bei vielen Beschallungssystemen hervorragende Ergebnisse liefert, besitzt die Filtercharakteristik keine automatische Klangverbesserungsfunktion. Ein Linkwitz-Riley-Filter kann nur dann wie vorgesehen arbeiten, wenn die tatsächlichen akustischen Übertragungsfunktionen der angeschlossenen Lautsprecher berücksichtigt werden. Ein Subwoofer könnte beispielsweise bereits durch seine Gehäuseabstimmung und interne Signalverarbeitung einen deutlichen Pegelabfall im Bereich der gewünschten Trennfrequenz aufweisen. Wird zusätzlich ein elektrischer LR24-Tiefpass eingesetzt, ergibt sich unter Umständen eine deutlich steilere akustische Flanke als ursprünglich geplant.

Dasselbe kann bei Topteilen passieren, deren Frequenzgang zu tiefen Frequenzen bereits natürlich abfällt. Entscheidend ist deshalb nicht, ob auf dem Display des Controllers LR24 steht, sondern welcher akustische Frequenzgang tatsächlich entsteht.

Bessel-Filter: Welche Rolle spielt das Zeitverhalten?

Neben Butterworth und Linkwitz-Riley bieten einige Lautsprechercontroller auch Bessel-Filter an. Diese Filtercharakteristik wurde nach dem Mathematiker Friedrich Wilhelm Bessel benannt und verfolgt einen anderen Schwerpunkt. Während Butterworth auf einen möglichst flachen Amplitudenfrequenzgang im Durchlassbereich ausgelegt ist, wird die klassische Bessel-Charakteristik vor allem im Hinblick auf ihr zeitliches Übertragungsverhalten optimiert.

Was ist die Gruppenlaufzeit?

Um die Eigenschaften von Bessel-Filtern zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf die sogenannte Gruppenlaufzeit.

Vereinfacht beschreibt sie, wie sich die zeitliche Verzögerung eines Signals in Abhängigkeit von seiner Frequenz verhält. Bei vielen klassischen Filtertypen ist diese Verzögerung nicht über den gesamten Frequenzbereich konstant. Die unterschiedlichen Frequenzanteile eines komplexen Signals werden dann nicht überall exakt gleich verzögert. Bessel-Tiefpassfilter sind im Durchlassbereich auf eine besonders gleichmäßige Gruppenlaufzeit ausgelegt. Dadurch kann die zeitliche Form von Impulsen unter geeigneten Bedingungen günstiger erhalten bleiben.

Warum wird Bessel trotzdem seltener als LR24 verwendet?

Der Vorteil im Zeitverhalten geht mit einem konstruktiven Kompromiss einher.

Bei vergleichbarer Filterordnung besitzt ein Bessel-Filter normalerweise einen weniger scharfen Übergang vom Durchlass- zum Sperrbereich als ein Butterworth-Filter. Dadurch können unerwünschte Frequenzanteile stärker in benachbarte Übertragungsbereiche hineinreichen. Für eine PA-Frequenzweiche ist das nicht immer erwünscht. Schließlich sollen Tieftöner, Mitteltöner und Hochtöner nur die Frequenzbereiche wiedergeben, für die sie konstruiert wurden. Hinzu kommt, dass ein günstiges Gruppenlaufzeitverhalten eines einzelnen Filters noch keine optimale akustische Addition zweier Lautsprecher garantiert.

Bessel ist deshalb eine interessante technische Alternative, aber nicht grundsätzlich der klanglich bessere Filtertyp.

Linkwitz-Riley, Butterworth und Bessel im direkten Vergleich

Die folgende Tabelle zeigt die grundlegenden Eigenschaften der drei Filtercharakteristiken.

Eigenschaft	Butterworth	Linkwitz-Riley	Bessel
Hauptmerkmal	Flacher Amplitudenfrequenzgang	Günstige Addition der Filterzweige	Gleichmäßige Gruppenlaufzeit im Durchlassbereich
Pegel an der Grenzfrequenz	Typisch −3 dB	Typisch −6 dB je Zweig	Von Normierung und Ausführung abhängig
Flankensteilheit	Abhängig von der Ordnung	Abhängig von der Ordnung	Abhängig von der Ordnung
Zeitverhalten	Frequenzabhängige Gruppenlaufzeit	Frequenzabhängige Gruppenlaufzeit	Auf gleichmäßige Gruppenlaufzeit optimiert
Summierung zweier Wege	Abhängig von Ordnung und Phasenlage	Bei geeigneter Abstimmung idealerweise glatt	Muss gezielt überprüft werden
Typische Anwendung	Universalfilter, Hoch- und Tiefpass	Aktive Frequenzweichen und DSP-Controller	Spezielle Filter- und Signalverarbeitungsaufgaben

Diese Eigenschaften beschreiben zunächst mathematische beziehungsweise elektrische Filter. Die endgültige akustische Wirkung hängt zusätzlich von den verwendeten Lautsprechern und ihrer räumlichen Anordnung ab.

Flankensteilheit erklärt: 12, 18, 24 oder 48 dB pro Oktave?

Neben der Filtercharakteristik spielt die Flankensteilheit eine entscheidende Rolle. Sie beschreibt, wie stark unerwünschte Frequenzanteile außerhalb des vorgesehenen Übertragungsbereichs abgeschwächt werden. Die Angabe erfolgt üblicherweise in Dezibel pro Oktave. Eine Oktave entspricht einer Verdopplung beziehungsweise Halbierung der Frequenz.

Bei einem Tiefpass mit einer Trennfrequenz von 100 Hz liegt die nächste höhere Oktave beispielsweise bei 200 Hz. Bei einem Hochpass wäre die nächsttiefere Oktave bei 50 Hz. Allerdings darf man die Angabe von 24 dB pro Oktave nicht so verstehen, dass bei jeder Verdopplung der Frequenz unmittelbar hinter der Trennfrequenz exakt weitere 24 dB Dämpfung entstehen. Die nominelle Flankensteilheit beschreibt das asymptotische Verhalten des Filters.

12 dB pro Oktave: Filter zweiter Ordnung

Ein Filter zweiter Ordnung besitzt eine relativ moderate Flankensteilheit. Benachbarte Frequenzbereiche überlappen deshalb vergleichsweise stark. Das kann in bestimmten Lautsprecherkonstruktionen sinnvoll sein, stellt aber hohe Anforderungen an das Verhalten der beteiligten Chassis.

Außerdem muss berücksichtigt werden, dass ein Linkwitz-Riley-Filter zweiter Ordnung eine andere Phasenbeziehung zwischen Hoch- und Tiefpass besitzt als die verbreitete LR24-Variante. Bei einem idealen LR12-Crossover ist für die gewünschte Addition eine Polaritätsumkehr eines Zweigs erforderlich.

18 dB pro Oktave: Filter dritter Ordnung

Filter dritter Ordnung ermöglichen eine stärkere Trennung der Frequenzbereiche als Filter zweiter Ordnung. Eine Butterworth-Charakteristik mit 18 dB pro Oktave kann beispielsweise in bestimmten Frequenzweichen eingesetzt werden. Allerdings lässt sich die Phasenbeziehung auch hier nicht auf eine einfache pauschale Regel reduzieren. Das akustische Summenverhalten muss zur konkreten Lautsprecheranordnung passen.

24 dB pro Oktave: Filter vierter Ordnung

Mit 24 dB pro Oktave lassen sich die unterschiedlichen Frequenzbereiche bereits deutlich voneinander trennen. Besonders LR24 ist deshalb für aktive PA-Systeme weit verbreitet. Die Filtercharakteristik besitzt im idealen Fall ein günstiges Summenverhalten und reduziert unerwünschte Frequenzanteile relativ stark. Gerade im Übergang zwischen Subwoofer und Topteil ist das häufig ein sinnvoller Ausgangspunkt.

48 dB pro Oktave: Filter achter Ordnung

Sehr steile Filter können Frequenzbereiche besonders konsequent voneinander trennen. Dadurch lässt sich beispielsweise verhindern, dass ein Lautsprecher größere Signalanteile außerhalb seines vorgesehenen Arbeitsbereichs erhält. Allerdings verändern solche Filter auch das zeitliche Verhalten des Signals. Eine höhere Filterordnung kann zu größeren Gruppenlaufzeitänderungen im Übergangsbereich führen. Deshalb ist eine besonders steile Flanke nicht automatisch die klanglich beste Wahl. Zudem muss geprüft werden, ob sie überhaupt notwendig ist. Häufig bieten Filter vierter Ordnung bereits eine sinnvolle Kombination aus Trennung und akustischem Verhalten.

Elektrische und akustische Filterflanken: Der entscheidende Unterschied

Ein besonders wichtiger Punkt bei der professionellen PA-Abstimmung ist die Unterscheidung zwischen elektrischer und akustischer Filterwirkung. Der DSP-Controller zeigt zunächst an, wie das elektrische Audiosignal bearbeitet wird. Der Lautsprecher setzt dieses Signal jedoch nicht vollkommen linear in Schall um. Jeder Lautsprecher besitzt einen eigenen Frequenzgang, eine eigene Phasencharakteristik und ein bestimmtes zeitliches Verhalten. Hinzu kommen gegebenenfalls integrierte DSP-Filter und die akustischen Eigenschaften des Gehäuses.

Warum ein elektrischer LR24-Filter akustisch anders wirken kann

Nehmen wir einen Subwoofer, dessen akustischer Frequenzgang bereits oberhalb von 90 Hz deutlich abfällt. Nun stellen wir im Lautsprechercontroller einen LR24-Tiefpass bei 100 Hz ein. Der tatsächliche Schalldruckverlauf ergibt sich aus der Kombination des natürlichen Lautsprecherverhaltens und des zusätzlichen elektrischen Filters. Die resultierende akustische Flanke kann dadurch wesentlich steiler ausfallen als die eingestellten 24 dB pro Oktave.

Bei einem Topteil entsteht ein ähnlicher Effekt, wenn dessen natürlicher Tieftonabfall zusätzlich durch einen Hochpassfilter beeinflusst wird. Deshalb führt die gleiche elektrische Filtereinstellung an zwei unterschiedlichen Lautsprechern nicht automatisch zum gleichen akustischen Ergebnis.

Warum die akustische Summe entscheidend ist

Bei einer gut abgestimmten PA sollen Subwoofer und Topteile im Übergangsbereich möglichst gleichmäßig zusammenarbeiten. Dafür ist entscheidend, mit welchen Pegeln und Phasenlagen die tatsächlichen Schallwellen am Messpunkt eintreffen. Der gewünschte akustische Übergang kann beispielsweise näherungsweise einer Linkwitz-Riley-Charakteristik entsprechen, obwohl die elektrischen Filter im Controller nicht exakt dieselbe Bezeichnung oder Flankensteilheit besitzen.

Gerade bei professionell entwickelten Lautsprechersystemen werden diese Zusammenhänge bereits in den Hersteller-Presets berücksichtigt. Deshalb sollte man vorhandene System-Presets nicht ohne nachvollziehbaren Grund verändern. Wer mehrere Subwoofer und Topteile unterschiedlicher Hersteller kombiniert, muss deren akustisches Zusammenspiel dagegen besonders sorgfältig überprüfen. Die grundlegenden Probleme und Lösungen behandeln wir auch in unserem Tutorial PA-Subwoofer richtig integrieren.

Filter und Phasenlage: Warum trotz gleicher Trennfrequenz Auslöschungen entstehen

Eine korrekt eingestellte Trennfrequenz garantiert noch keinen gleichmäßigen Frequenzgang. Schließlich müssen die Schallwellen beider Lautsprecher am Hörplatz nicht nur mit einem passenden Pegel, sondern auch mit einer günstigen Phasenbeziehung eintreffen.

Stellen wir uns vor, dass Subwoofer und Topteil bei 100 Hz jeweils einen relevanten Schallanteil liefern. Treffen ihre Schallwellen weitgehend phasengleich ein, können sich die Pegel addieren. Besteht dagegen eine Phasendifferenz von 180 Grad, wirken die beiden Signale gegeneinander. Bei gleichem Pegel kann es dann zu einer nahezu vollständigen Auslöschung kommen. Das Ergebnis wäre ein deutliches Loch im Frequenzgang rund um die Trennfrequenz.

Welche Rolle spielt die Lautsprecherposition?

Die Schalllaufzeit hängt unmittelbar von der Entfernung zum Hörplatz ab.

Bei 20 °C benötigt Schall für einen Meter ungefähr 2,9 Millisekunden. Bei einer Frequenz von 100 Hz dauert eine vollständige Schwingung zehn Millisekunden. Bereits ein zusätzlicher Laufweg von einem Meter entspricht deshalb einer Phasenverschiebung von ungefähr 105 Grad bei dieser Frequenz. Das zeigt, wie deutlich sich unterschiedliche Lautsprecherpositionen auf die akustische Addition auswirken können. Allerdings ist die tatsächliche Situation komplexer, weil auch Gehäuse, Filter und interne Signalprozessoren das Phasenverhalten beeinflussen.

Warum ist die Polaritätsumkehr keine vollständige Phasenkorrektur?

Viele Subwoofer und Lautsprechercontroller besitzen einen Schalter mit der Bezeichnung 0°/180° oder Phase Invert. Häufig handelt es sich dabei technisch um eine Polaritätsumkehr.

Dabei wird die elektrische Polarität des Signals umgedreht. Positive Signalamplituden werden negativ und umgekehrt. Diese Funktion kann helfen, wenn die beteiligten Signale im Übergangsbereich in einer entsprechend ungünstigen Phasenbeziehung stehen. Allerdings korrigiert eine Polaritätsumkehr nicht beliebige Laufzeitunterschiede. Ein einstellbares Delay verschiebt dagegen das gesamte Signal zeitlich. Auch ein Allpassfilter kann zur gezielten Veränderung des frequenzabhängigen Phasenverlaufs eingesetzt werden, ohne den Amplitudenfrequenzgang direkt zu verändern.

Für eine präzise Abstimmung sollten deshalb die tatsächlichen akustischen Messdaten herangezogen werden.

Praxisbeispiel: Linkwitz-Riley und Butterworth am DSP-Controller vergleichen

Um die Unterschiede in der Praxis nachvollziehen zu können, betrachten wir eine typische aktive PA-Anlage mit zwei 12-Zoll-Topteilen und zwei 18-Zoll-Subwoofern. Die Anlage wird über einen digitalen Lautsprechercontroller betrieben, der getrennte Ausgänge für Subwoofer und Topteile bereitstellt. Zusätzlich verfügt der Controller über wählbare Filtercharakteristiken, Delay und Ausgangspegel. Für unser Beispiel gehen wir davon aus, dass die Lautsprecher grundsätzlich für eine Trennung um 100 Hz geeignet sind. Dieser Wert dient ausschließlich der Veranschaulichung. Bei einer realen Anlage haben die Herstellervorgaben Vorrang.

Schritt 1: Lautsprechersystem und Presets überprüfen

Bevor die Frequenzweiche eingestellt wird, sollten die technischen Daten und die vorhandenen Lautsprecher-Presets kontrolliert werden. Viele moderne Aktivlautsprecher besitzen bereits integrierte Hochpass-, Tiefpass- und Schutzfilter. Werden zusätzliche Filter im externen Controller aktiviert, können sich diese mit den internen Filtern überlagern. Deshalb muss zunächst geklärt werden, an welcher Stelle der Signalkette die Frequenztrennung tatsächlich erfolgen soll. Verfügt die Kombination aus Subwoofer und Topteil über ein passendes, vom Hersteller freigegebenes Preset, sollte dieses zunächst verwendet werden. Erst wenn eine eigenständige Frequenztrennung vorgesehen und technisch zulässig ist, werden die Filter entsprechend eingerichtet.

Schritt 2: Routing des DSP-Controllers einrichten

Im nächsten Schritt werden die Eingangssignale auf die entsprechenden Ausgangswege verteilt. Für unser Beispiel erhält die linke und rechte Seite jeweils einen eigenen Topteil-Ausgang. Die beiden Subwoofer werden über passende zusätzliche Ausgänge versorgt. Ob die Subwoofer ein Mono-Summensignal oder getrennte Stereo-Signale erhalten, hängt vom Systemkonzept ab. Anschließend sollten die Ausgangspegel kontrolliert werden. Wichtig ist, dass keine unbeabsichtigten zusätzlichen Signalwege oder doppelten Zuweisungen aktiv sind. Weitere Grundlagen zu internen Mischbussen und der Signalverteilung findest du in unserem Tutorial Mischpult-Routing erklärt: AUX, Subgruppen, DCA und Matrix.

Schritt 3: Linkwitz-Riley 24 dB/Oktave als Ausgangspunkt wählen

Für den ersten Vergleich konfigurieren wir den Tiefpass des Subwooferwegs auf LR24 bei 100 Hz. Der Hochpass des Topteilwegs erhält ebenfalls LR24 bei 100 Hz. Damit verwenden wir zunächst eine symmetrische elektrische Filterkonfiguration. Im idealisierten Fall liegen beide Filterzweige an der Trennfrequenz bei −6 dB. Werden sie phasengleich addiert, ergibt sich ein linearer elektrischer Summenfrequenzgang. Allerdings ist damit noch nicht gewährleistet, dass die tatsächlichen Lautsprecher akustisch dasselbe Verhalten zeigen.

Deshalb werden nun die beiden Lautsprecherwege überprüft.

Schritt 4: Subwoofer und Topteil getrennt messen

Mit einem geeigneten Messmikrofon und einer Messsoftware werden zunächst die Subwoofer und anschließend die Topteile separat gemessen. Dabei sollte auf die tatsächlichen Frequenzgänge und das Phasenverhalten im Bereich um 100 Hz geachtet werden. Zusätzlich ist eine zuverlässige zeitliche Referenz wichtig, damit sich Unterschiede in der Ankunftszeit der Signale erkennen lassen. Bereits hier kann sich zeigen, dass Subwoofer und Topteile im Übergangsbereich unterschiedliche akustische Eigenschaften besitzen. Möglicherweise fällt der Subwoofer oberhalb von 100 Hz stärker ab als erwartet. Ebenso könnte das Topteil bei 100 Hz bereits einen deutlichen Pegelverlust aufweisen.

Solche Abweichungen müssen bei der Bewertung der Filtereinstellungen berücksichtigt werden.

Schritt 5: Laufzeit und Phasenlage abstimmen

Nun wird überprüft, ob die Signale beider Lautsprecher zeitlich sinnvoll zusammenarbeiten. Dazu können ihre gemessenen Ankunftszeiten und Phasenverläufe miteinander verglichen werden. Falls erforderlich, wird einer der Lautsprecherwege über die Delay-Funktion des Controllers zeitlich angepasst. Entscheidend ist dabei nicht allein, dass die Signale an irgendeiner Stelle der Impulsantwort zeitlich übereinstimmen. Vielmehr soll die Phasenbeziehung im relevanten Übergangsbereich möglichst günstig ausfallen. Anschließend werden Subwoofer und Topteile gemeinsam betrieben und der Summenfrequenzgang kontrolliert.

Schritt 6: Butterworth zum Vergleich einstellen

Nachdem die LR24-Konfiguration dokumentiert wurde, kann unter geeigneten Bedingungen ein Vergleich mit Butterworth-Filtern erfolgen. Dazu werden Hochpass und Tiefpass beispielsweise auf Butterworth vierter Ordnung bei derselben Trennfrequenz eingestellt. Wichtig ist, jeweils eine definierte Einstellung zu verändern und sämtliche anderen Parameter möglichst konstant zu halten.

Bei der Bewertung muss berücksichtigt werden, dass die Butterworth-Filter an der Trennfrequenz jeweils bei −3 dB liegen. Im idealen Fall phasengleicher Addition ergibt sich dadurch eine Pegelüberhöhung von rund 3 dB. Die reale Messung kann allerdings aufgrund der Lautsprechereigenschaften und der Phasenbeziehung abweichen. Es sollte deshalb nicht nur beurteilt werden, welche Einstellung subjektiv mehr Bass erzeugt. Wichtiger ist, wie gleichmäßig sich die beiden Lautsprechersysteme über den gesamten Übergangsbereich ergänzen.

Achtung: Der Vergleich darf nur innerhalb der zulässigen Betriebsgrenzen erfolgen. Werden durch andere Filter ungeeignete Frequenzen an empfindliche Lautsprecherwege weitergegeben, kann dies zu einer Überlastung führen.

Schritt 7: Ergebnis bewerten und passende Filter auswählen

Im letzten Schritt werden die Messungen miteinander verglichen.

Eine gute Einstellung zeichnet sich nicht ausschließlich durch einen möglichst hohen Pegel im Übergangsbereich aus. Entscheidend sind vielmehr ein gleichmäßiger Frequenzgang, eine sinnvolle Phasenbeziehung und ausreichende Belastungsreserven der Lautsprecher. Zusätzlich sollte die Wiedergabe an mehreren Publikumspositionen kontrolliert werden. Denn eine perfekte Summierung an einem einzelnen Messpunkt bedeutet nicht automatisch, dass die gesamte Publikumsfläche gleichmäßig beschallt wird. Wie eine solche Systemabstimmung grundsätzlich durchgeführt wird, erklären wir in unserem Tutorial PA-Anlage einmessen: Schritt-für-Schritt-Tutorial.

Linkwitz-Riley in der Praxis: Behringer CX3400 V2 als Beispiel

Nicht nur digitale DSP-Controller verwenden Linkwitz-Riley-Filter. Auch klassische analoge Frequenzweichen nutzen diese Charakteristik.

Ein konkretes Beispiel ist die Behringer CX3400 V2. Das Gerät arbeitet für seine Frequenztrennung mit Linkwitz-Riley-Filtern und einer Flankensteilheit von 24 dB pro Oktave. Dadurch können verschiedene Lautsprecherwege mit relativ steilen elektrischen Filterflanken getrennt werden. Zusätzlich besitzt das Gerät einen schaltbaren 25-Hz-Hochpassfilter mit Butterworth-Charakteristik und 12 dB pro Oktave. Dieses Beispiel zeigt, dass verschiedene Filtercharakteristiken innerhalb desselben Geräts unterschiedliche Aufgaben erfüllen können. Während die Linkwitz-Riley-Filter für die Frequenztrennung zwischen den Lautsprecherwegen verantwortlich sind, kann der zusätzliche Butterworth-Hochpass unerwünschte tieffrequente Signalanteile reduzieren.

Eine solche Schutzfunktion muss allerdings auf den jeweiligen Lautsprecher abgestimmt sein. Nicht jeder Subwoofer darf mit demselben unteren Hochpassfilter betrieben werden. Die Ausstattung und die praktischen Einsatzmöglichkeiten des Geräts behandeln wir ausführlich in unserem Behringer CX3400 V2 Test: Frequenzweiche für PA-Systeme.

Was bedeutet Linkwitz-Riley für den Lautsprecherschutz?

Eine Frequenzweiche soll nicht nur einen möglichst gleichmäßigen Summenfrequenzgang ermöglichen, sondern auch die beteiligten Lautsprecher vor ungeeigneten Frequenzen schützen. Ein kleines Topteil sollte beispielsweise nicht gezwungen werden, bei hohen Pegeln extrem tiefe Bassfrequenzen wiederzugeben. Das kann große Membranauslenkungen, erhöhte Verzerrungen und mechanische Überlastungen verursachen. Umgekehrt müssen Hochtontreiber vor zu großen Signalanteilen im unteren Frequenzbereich geschützt werden. Eine ausreichend steile Frequenztrennung hilft dabei, solche unerwünschten Signalanteile zu reduzieren.

Allerdings ist die Filtercharakteristik allein noch keine vollständige Schutzschaltung.

Warum Limiter und Schutzfilter notwendig bleiben

Ein Linkwitz-Riley-Filter kann bestimmte Frequenzen abschwächen, aber nicht verhindern, dass ein Lautsprecher durch zu hohe Pegel thermisch oder mechanisch überlastet wird. Dafür sind zusätzliche Schutzmaßnahmen notwendig. Dazu gehören geeignete Limiter, ausreichend dimensionierte Endstufen und gegebenenfalls spezielle Hochpassfilter zum Schutz vor extrem tiefen Frequenzen. Auch das korrekte Gain-Staging spielt eine wichtige Rolle.

Welche Maßnahmen besonders wichtig sind, behandeln wir im Tutorial PA-Lautsprecher vor Schäden schützen.

Zusätzlich sollte vermieden werden, dass übersteuerte Mischpultausgänge oder Endstufen unnötig hohe und verzerrte Signale liefern. Warum Clipping problematisch ist und welche Schutzmaßnahmen helfen, erklären wir im Beitrag Was bedeutet Clipping? Ursachen, Folgen und Schutz für PA-Anlagen.

Warum ein steiler Filter nicht automatisch besser klingt

Bei digitalen Frequenzweichen entsteht häufig der Eindruck, dass eine möglichst hohe Flankensteilheit automatisch die beste Wahl wäre. Schließlich trennt ein Filter mit 48 dB pro Oktave die Frequenzbereiche stärker als ein Filter mit 12 oder 24 dB pro Oktave. Allerdings handelt es sich dabei nur um einen Teil der technischen Betrachtung.

Mit steigender Filterordnung verändert sich das Phasen- und Zeitverhalten des Systems. Außerdem kann eine sehr starke Frequenztrennung andere akustische Eigenschaften der beteiligten Lautsprecher sichtbar machen. Gerade bei Lautsprechern mit großen Abständen zwischen den akustischen Zentren der Chassis spielt außerdem das räumliche Abstrahlverhalten eine Rolle. Ein gut entwickeltes System mit einer moderaten Filterflanke kann deshalb im konkreten Einsatz bessere Ergebnisse liefern als eine ungeeignete Kombination besonders steiler Filter.

Für die Praxis ist entscheidend, dass die gewählte Filtercharakteristik zum tatsächlichen akustischen Verhalten der Lautsprecher passt.

Häufige Fehler bei Linkwitz-Riley und Butterworth vermeiden

Butterworth und Linkwitz-Riley ohne Kontrolle mischen

Ein häufiger Fehler besteht darin, Subwoofer und Topteile mit unterschiedlichen Filtercharakteristiken zu betreiben, ohne das Summenverhalten zu überprüfen. Das muss nicht grundsätzlich falsch sein. Professionelle Lautsprechersysteme können bewusst unterschiedliche elektrische Filter verwenden, um eine gewünschte akustische Übertragungsfunktion zu erzeugen. Wer allerdings ohne Messung beliebige Filter kombiniert, riskiert unerwünschte Pegelveränderungen oder Phasenauslöschungen im Übergangsbereich.

Die elektrische Filterkurve mit der akustischen Wirkung verwechseln

Die Einstellung LR24 im Controller garantiert noch keinen akustischen Linkwitz-Riley-Verlauf. Entscheidend ist die Kombination aus elektrischem Filter und tatsächlichem Lautsprecherverhalten. Deshalb sollten die akustischen Frequenzgänge beider Lautsprecherwege gemessen werden.

Die Trennfrequenz nur nach Tabellen auswählen

Eine Trennfrequenz von 100 Hz ist für viele Subwoofer-Topteil-Kombinationen ein brauchbarer Ausgangspunkt, aber keineswegs universell richtig. Kompakte Topteile können eine höhere Trennfrequenz benötigen. Andere Systeme sind für eine tiefere Trennung ausgelegt. Die passende Einstellung hängt vom Frequenzgang, dem maximalen Schalldruck, den Verzerrungen und den Herstellerangaben ab.

Die Phasenlage nicht berücksichtigen

Selbst wenn beide Lautsprecher dieselbe Filtercharakteristik verwenden, können ihre Schallwellen am Hörplatz mit unterschiedlichen Phasenlagen eintreffen. Ursachen sind beispielsweise unterschiedliche Aufstellungspositionen, interne DSP-Latenzen und das akustische Verhalten der Lautsprecher. Deshalb muss die Phasenbeziehung im Übergangsbereich kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert werden.

Hersteller-Presets unkontrolliert verändern

Viele professionelle PA-Systeme besitzen Presets, die bereits auf die Lautsprecher abgestimmt sind. Wer solche Einstellungen ohne technische Notwendigkeit verändert, kann das Frequenz- und Phasenverhalten verschlechtern oder wichtige Schutzfunktionen beeinträchtigen. Deshalb sollten zunächst die vorgesehenen Presets verwendet werden. Eigene Anpassungen sind besonders dann sinnvoll, wenn sie durch Messungen und nachvollziehbare Anforderungen begründet werden können.

Doppelte Filterung übersehen

Ein häufiger Fehler entsteht, wenn sowohl der aktive Subwoofer als auch ein externer Lautsprechercontroller eine Frequenztrennung vornehmen. Dabei können sich mehrere Filter überlagern. Das verändert nicht nur die resultierende Flankensteilheit, sondern auch die Phasenlage. Deshalb sollte die gesamte Signalkette vom Mischpult bis zum Lautsprecher überprüft werden.

Nur den Frequenzgang beurteilen

Ein glatter Frequenzgang an einem einzelnen Messpunkt ist zwar ein wichtiger Hinweis auf eine gelungene Abstimmung, beschreibt aber nicht das vollständige Verhalten des Beschallungssystems. Auch das Phasenverhalten, die zeitliche Übereinstimmung und das räumliche Abstrahlverhalten müssen berücksichtigt werden. Gerade bei größeren PA-Anlagen kann sich das Ergebnis zwischen verschiedenen Publikumspositionen deutlich unterscheiden.

Welche Filtercharakteristik eignet sich für welche Anwendung?

Für eine klassische aktive PA-Frequenzweiche ist Linkwitz-Riley vierter Ordnung häufig ein sinnvoller Ausgangspunkt. Das gilt insbesondere für die Frequenztrennung zwischen Subwoofer und Topteil, sofern die beteiligten Lautsprecher dafür geeignet sind.

Butterworth-Filter eignen sich dagegen für zahlreiche weitere Filteraufgaben. Ihre möglichst flache Amplitudencharakteristik macht sie vielseitig einsetzbar. Bei der Verwendung als Crossover muss allerdings auf das Summenverhalten geachtet werden.

Bessel-Filter besitzen besondere Eigenschaften im Zeitbereich. Sie können sinnvoll sein, wenn eine möglichst gleichmäßige Gruppenlaufzeit im Durchlassbereich im Vordergrund steht. Allerdings ist ihre Frequenztrennung bei gleicher Ordnung weniger ausgeprägt.

Welche Variante tatsächlich die beste ist, hängt somit vom technischen Ziel ab. In einem professionell entwickelten Lautsprechersystem steht dieses Ziel normalerweise bereits fest. Der Hersteller definiert dann die notwendigen Filter, Laufzeiten und Pegelkorrekturen. Bei frei kombinierten Lautsprechern muss der Techniker dagegen selbst überprüfen, welche elektrische Filterkonfiguration zum gewünschten akustischen Ergebnis führt.

Fazit: Linkwitz-Riley oder Butterworth – die akustische Summe entscheidet

Linkwitz-Riley, Butterworth und Bessel sind keine beliebig austauschbaren Bezeichnungen für die gleiche Filterfunktion. Vielmehr besitzen sie unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Amplitudenfrequenzgang, Phasenverhalten und Gruppenlaufzeit.

Butterworth-Filter zeichnen sich durch einen möglichst flachen Frequenzgang im Durchlassbereich aus. Bessel-Filter verfolgen dagegen vor allem eine günstige zeitliche Signalübertragung.

Linkwitz-Riley-Filter wurden gezielt für die Addition unterschiedlicher Frequenzbereiche entwickelt. Besonders LR24 hat sich deshalb in der professionellen PA-Technik etabliert. Bei dieser Charakteristik liegen Hochpass und Tiefpass an der Trennfrequenz jeweils bei −6 dB und können sich unter idealen Bedingungen zu einem gleichmäßigen Summenfrequenzgang ergänzen.

Allerdings bleibt ein entscheidender Punkt: Nicht der eingestellte Filtertyp allein bestimmt den Klang, sondern das tatsächliche akustische Zusammenspiel der Lautsprecher.

Ein elektrischer Linkwitz-Riley-Filter garantiert weder automatisch eine korrekte Phasenlage noch eine optimale Trennung zwischen Subwoofer und Topteil.

Deshalb sollten Frequenzgang, Lautsprecherposition, Laufzeit und Filtercharakteristik immer gemeinsam betrachtet werden.

Für Bands, DJs und Veranstaltungstechniker bietet LR24 bei geeigneten Lautsprechern einen guten Ausgangspunkt. Wer das volle Potenzial einer PA-Anlage ausschöpfen möchte, sollte sich jedoch nicht allein auf die Displayanzeige des Controllers verlassen, sondern die akustische Wirkung gezielt überprüfen.

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FAQ: Häufige Fragen zu Linkwitz-Riley, Butterworth und PA-Filtern

Was ist ein Linkwitz-Riley Filter?

Ein Linkwitz-Riley-Filter ist eine Filtercharakteristik, die speziell für die Aufteilung und Addition unterschiedlicher Frequenzbereiche entwickelt wurde. Besonders häufig wird sie in aktiven Frequenzweichen verwendet, um Subwoofer, Mitteltonlautsprecher und Hochtöner aufeinander abzustimmen.

Was bedeutet LR24 bei einer Frequenzweiche?

LR24 bezeichnet einen Linkwitz-Riley-Filter mit einer asymptotischen Flankensteilheit von 24 dB pro Oktave. Es handelt sich um eine Filtercharakteristik vierter Ordnung, die im professionellen PA-Bereich häufig verwendet wird.

Was ist der Unterschied zwischen Butterworth und Linkwitz-Riley?

Ein Butterworth-Filter besitzt an seiner definierten Grenzfrequenz typischerweise eine Dämpfung von 3 dB. Bei einem Linkwitz-Riley-Filter liegt jeder Zweig an der Trennfrequenz dagegen bei −6 dB. Diese Eigenschaft ermöglicht unter geeigneten Bedingungen eine gleichmäßige Addition von Hochpass und Tiefpass.

Warum ist Linkwitz-Riley 24 dB/Oktave so beliebt?

LR24 kombiniert eine relativ steile Frequenztrennung mit einem günstigen Summenverhalten. Bei passender akustischer Abstimmung können sich die Signale beider Lautsprecherwege im Übergangsbereich ohne nennenswerte Pegelüberhöhung ergänzen.

Ist Linkwitz-Riley besser als Butterworth?

Nicht grundsätzlich. Beide Filtercharakteristiken besitzen unterschiedliche Eigenschaften und Einsatzgebiete. Für aktive Frequenzweichen ist Linkwitz-Riley häufig besonders geeignet, während Butterworth auch bei zahlreichen anderen Filteraufgaben verwendet wird.

Was ist ein Bessel-Filter?

Ein Bessel-Filter ist eine Filtercharakteristik, die im Durchlassbereich auf eine möglichst gleichmäßige Gruppenlaufzeit ausgelegt ist. Dadurch kann das zeitliche Verhalten von Signalen besonders günstig ausfallen. Bei gleicher Ordnung ist seine Frequenztrennung jedoch normalerweise weniger scharf als bei Butterworth.

Was ist besser: LR12 oder LR24?

Das hängt von den verwendeten Lautsprechern ab. LR24 ermöglicht eine deutlich steilere Frequenztrennung als LR12. Allerdings beeinflusst die höhere Filterordnung auch das zeitliche Verhalten. Bei einem idealen LR12-Crossover ist für die gewünschte Addition außerdem eine Polaritätsumkehr eines Zweigs erforderlich.

Bedeutet LR24 automatisch eine optimale Phasenlage?

Nein. Die elektrische Filtercharakteristik allein garantiert keine optimale akustische Phasenlage. Unterschiedliche Lautsprecherpositionen, DSP-Latenzen und das Eigenverhalten der Lautsprecher können zusätzliche Phasenverschiebungen verursachen.

Warum haben Linkwitz-Riley-Filter −6 dB an der Trennfrequenz?

Die Dämpfung von 6 dB sorgt dafür, dass zwei im Idealfall phasengleiche Filterzweige jeweils ungefähr die Hälfte der ursprünglichen Signalamplitude liefern. Bei der Addition entsteht dadurch wieder die ursprüngliche Amplitude, ohne dass im Übergangsbereich eine Pegelüberhöhung auftritt.

Kann ich Butterworth und Linkwitz-Riley kombinieren?

Ja, eine solche Kombination kann in bestimmten Lautsprechersystemen sinnvoll sein. Allerdings muss das resultierende akustische Summenverhalten überprüft werden. Unterschiedliche elektrische Filter führen nicht automatisch zu einer geeigneten Frequenztrennung.

Wie finde ich die richtige Trennfrequenz für Subwoofer und Topteil?

Die passende Trennfrequenz hängt vom Frequenzgang, der Belastbarkeit, den Verzerrungen und den Herstellerangaben der Lautsprecher ab. Für viele klassische PA-Systeme liegt ein möglicher Ausgangspunkt zwischen 80 und 120 Hz. Entscheidend ist jedoch die tatsächliche akustische Abstimmung.

Brauche ich ein Messmikrofon für die richtige Filtereinstellung?

Bei einfachen, vollständig aufeinander abgestimmten Lautsprechersystemen können die Hersteller-Presets bereits ein gutes Ergebnis liefern. Wer dagegen unterschiedliche Lautsprecher kombiniert oder eigene Frequenzweichenkonfigurationen entwickelt, sollte mit einem geeigneten Messmikrofon und entsprechender Software arbeiten. So lassen sich Frequenzgang, Ankunftszeiten und Phasenbeziehungen überprüfen.