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MagyarNotebook 1x1: Wie konstruiert man ein gutes Audio-Subsystem?
Einleitung
Beim Kauf eines Laptops ordnen sich die Lautsprecher nicht selten unter “ferner liefen” ein und müssen sich hinter wichtigeren Aspekten, wie CPU, GPU, RAM, Massenspeicher oder der Qualität des Bildschirms, anstellen. In Anbetracht der Tatsache, dass die meisten Anwender ohnehin zu externen kabelgebundenen oder kabellosen Lautsprechern oder Kopfhörern greifen, klingen die meisten Laptop-Lautsprecher eher mittelmäßig und blechern. Besonders audiophile Naturen schrecken sogar vor dem Einsatz eines USB-DAC/Verstärkers nicht zurück, um noch besseren Sound zu bekommen.
Die Gründe, warum Lautsprecher in Laptops meist schlecht ausfallen, sind vielfältig. An oberster Stelle stehen allerdings die Kosten. Die Hersteller stecken das für die Entwicklung guter Lautsprecher nötige Kleingeld lieber in die Entwicklung von kaufentscheidenderen Bauteilen. Hinzu kommen die beengten Platzverhältnisse und die immerwährende Gier nach immer dünneren Gehäusen. Dadurch wird es zunehmend schwieriger einen potenten Subwoofer und gute Driver überhaupt noch unterzubringen.
Unseren Lesern dürfte bekannt sein, dass wir bei Notebookcheck jedes Laptop auch einem Soundcheck unterziehen um einen Eindruck der Leistungsfähigkeit des eingebauten Soundsystems zu bekommen. In diesem Artikel wollen wir uns ansehen, wie genau Laptop-Lautsprecher entwickelt werden und wie sie funktionieren. Wir schauen uns außerdem an welche Faktoren die Audioqualität des Kopfhörerausgangs beeinflussen und welche Möglichkeiten der Einsatz spezieller Software zur Modifizierung der Tonausgabe bietet. Zur Illustration dieser Punkte orientieren wir uns am Sounddesign von MSI-Gaming-Laptops.
Weitere Artikel in unserer Laptops-1x1-Serie:
Das Design integrierter Lautsprecher
Obwohl man selbstverständlich zur Optimierung des Sounderlebnisses auf externe Lautsprecher oder Headsets zurückgreifen kann, sind die integrierten Lautsprecher dennoch integraler Bestandteil des Designs eines Laptops. Faktoren wie Größe, Platzierung, Art, Schaltungsaufbau und die Frequenzkurve haben allesamt einen entscheidenden Einfluss auf die Audioqualität.
Größe und Platzierung
Die dänische Firma Dynaudio vertreibt hochwertige Akustiktechonologie für eine Vielzahl an Einsatzzwecken. Dynaudio-Lautsprecher sind dafür bekannt Geräusche viel natürlich wiederzugeben als Systeme der Konkurrenz. MSI arbeitet seit 2009 mit Dynaudio zusammen, um die Lautsprecher in den hauseigenen Gaming-Notebooks zu verbessern. Diese Zusammenarbeit hat schon während der frühen Designphase direkten Einfluss darauf welche Lautsprecher wo genau im Gehäuse platziert werden.
Dynaudio ist schon sehr früh in den Designprozess mit eingebunden. Wie der Grafik rechts entnommen werden kann, werden Platzierung und Größe der Lautsprecher quasi von Anfang an eruiert. Entscheidende Aspekte sind hierbei unter anderem das Auswuchten, das Resonanzverhalten und der Ermessensspielraum für Vibrationen. Die Dynaudio-Ingenieure geben basierend auf der Positionierung und dem Schaltungsentwurf Empfehlungen ab, die anschließend in der Prototypenphase getestet werden ehe die finale Freigabe für die Massenproduktion erfolgt. Ein Laptop hat nur sehr wenig Volumen und somit wenig zu bewegende Luft, was einen negativen Einfluss auf die Frequenzkurve hat. Daher muss das verfügbare Volumen maximal ausgereizt werden, um die bestmögliche Audioqualität zu erreichen.
Das Giant-Speaker-Design
Typischerweise verfügen Notebooks über jeweils einen Lautsprecher pro Seite. Die besseren Modelle schaffen es Mitteltöne und Höhen akzeptabel wiederzugeben, mit Tieftönen haben aber alle Laptops zu kämpfen. In aktuellen Designs ist es leider sehr schwierig geworden Subwoofer unterzubringen, da die Gehäuse immer dünner und kleiner werden und somit schlichtweg kein Platz mehr vorhanden ist. Die einzige Möglichkeit, die Tonwiedergabe und Balance zu verbessern, bleibt also die bestmögliche Ausnutzung des verfügbaren Raums um Subwoofer und Lautsprecher irgendwie doch noch unterzubringen.
Eine Möglichkeit dies zu erreichen ist MSIs sogenanntes Giant-Speaker-Design. Wie dem Bild rechts zu entnehmen ist steht das untere Viertel des Innenraums exklusiv dem Audio-Subsystem zur Verfügung. Das Design ermöglicht ein Woofer-Lautsprecherpaar auf jeder Seite, die in recht großen Kammern gekapselt werden. Dies wiederum erlaubt eine breite Wiedergabe von unterschiedlichen Frequenzen und ist besser als was die meisten konventionellen Notebooks zu bieten haben.
Resonanzabsorption
Stellt man sich das Gehäuse eines Laptops als kleinen Raum vor gibt es sehr offensichtlich eine Unmenge an Möglichkeiten für ungewollte Resonanzen und Schwingungen, die einen negativen Einfluss auf die Soundwiedergabe haben können. Resonanzabsorber können diese Effekte sehr effizient verhindern. Bei den meisten Laptop-Lautsprechern wird das Material zur Resonanzabsorption um den Trichter des Hauptlautsprechers herum angebracht, um Resonanzen maximal zu verhindern.
Smart-Amp-Schaltungsaufbau
Auf der CES 2015 hat Texas Instruments die sogenannte Smart-Amp-Technologie vorgestellt. Vereinfacht gesagt ermöglicht es Smart Amp deutlich mehr Leistung aus einem Lautsprecher zu kitzeln ohne ihn dabei zu beschädigen. Die meisten Laptop-Lautsprecher schaffen nicht mehr als 2 W, obwohl sie zumindest theoretisch 10 oder sogar 30 W vertragen würden. Diese Limitierung ist eine bewusste Entscheidung der Ingenieure, um Beschädigungen durch zu hohen Stromfluss durch die Spulen und sogenanntes Clipping zu verhindern. Smart Amp ermöglicht das dynamische Herausfiltern der diese Effekte verursachenden Frequenzen und Spitzen.
MSIs Implementierung von Smart Amp erlaubt es den Lautsprechern bis zu 30 W an Leistung auszugeben ohne dabei den Lautsprecher zu beschädigen. Die Frequenzen werden hierbei in Echtzeit analysiert und die gefährlichen Spitzen herausgefiltert. Dadurch können die Lautsprecher ohne Probleme eine deutlich höhere Leistung erzielen. In Geräten mit derart beengten Platzverhältnissen wie einem Laptop ermöglicht die Implementierung von Smart Amp eine wesentlich höhere Lautstärke als dies ein konventioneller Verstärker erlauben würde. Dies resultiert wiederum in stärkeren und präsenteren Bässen, Mitteltönen und Hochtönen.
Optimierung der Frequenzkurve
Eine Frequenzkurve zu entwickeln, in der auch Tieftöne angemessen repräsentiert werden, ist angesichts der beengten Platzverhältnisse moderner Laptops eine echte Herausforderung. Eine mögliche Lösung für dieses Dilemma sind sogenannte passive Strahler. Ein passiver Strahler ist im Grunde genommen ein Lautsprecher ohne Innereien. Er besteht also aus dem Trichter, der Aufhängung und dem umgebenden Gehäuse, die komplette Elektrik und Elektronik fehlt allerdings. Der Vorteil eines solchen passiven Strahlers ist seine Fähigkeit auf tiefe Frequenzen zu reagieren, wodurch er wie ein Bassreflexgehäuse funktioniert.
Schauen wir uns das rechts abgebildete Schema unter der Prämisse eines abgedichteten Gehäuses mal näher an. Wenn der Treiber des Lautsprechers basierend auf dem Eingangssignal anfängt sich vor und zurück zu bewegen beeinflusst er dadurch direkt den Luftdruck innerhalb des abgeschlossenen Gehäuses. Setzt man jetzt einen passiven Strahler direkt vor den Treiber, dann fängt dieser an ebenfalls zu schwingen. Die aus dieser Schwingung resultierenden Frequenzen sind ähnlich denen eines Bassreflexsystems.
Passive Strahler können nicht nur für Tief- sondern auch für Mitteltöne verwendet werden. Da sie anders als Bassreflexröhren kein Feintuning benötigen, sind sie relativ einfach zu designen und müssen lediglich an den Lautsprecher angepasst werden, der sie später antreiben soll. Dadurch sind sie ideal geeignet für Lautsprecher auf kleinem Raum. Die Fotos unten zeigen einen typischen Laptop-Lautsprecher für Mitteltöne. An der Oberseite sitzt der passive Stahler, der eigentliche Treiber des Lautsprechers befindet sich an der Unterseite.
Ein solcher passiver Strahler erzeugt Frequenzen nicht unähnlich denen eines typischen vergleichbar großen 2514/4-cc-Mikrolautsprechers, insbesondere bei Tief- und Mitteltönen. Die Grafik unten zeigt, dass ein solcher Mikrolautsprecher in der Lage ist Töne bis auf 100 Hz runter wiederzugeben. Der passive Strahler kommt diesem Wert erstaunlich nahe und hat genau wie der Mikrolautsprecher seine Spitze bei rund 1.000 Hz.
In unserem Test des MSI GT76 haben wir bei maximaler Lautstärke (90 dB(A)) eine hervorragende Frequenzkurve ermittelt. Der Ton war zwar insgesamt ein wenig dumpf und könnte noch präsentere Tief- und Mitteltöne vertragen, aber so mancher Laptop könnte sich von der beeindruckenden Audioperformance des GT76 glatt eine Scheibe abschneiden.
MSI GT76 Titan DT 9SG Audio Analyse
(+) | Die Lautsprecher können relativ laut spielen (90 dB)
Bass 100 - 315 Hz
(±) | abgesenkter Bass - 7.6% geringer als der Median
(±) | durchschnittlich lineare Bass-Wiedergabe (11% Delta zum Vorgänger)
Mitteltöne 400 - 2000 Hz
(±) | zu hohe Mitten, vom Median 7% abweichend
(±) | Linearität der Mitten ist durchschnittlich (7.2% Delta zum Vorgänger)
Hochtöne 2 - 16 kHz
(+) | ausgeglichene Hochtöne, vom Median nur 3.8% abweichend
(+) | sehr lineare Hochtöne (4.5% Delta zum Vorgänger)
Gesamt im hörbaren Bereich 100 - 16.000 Hz
(+) | hörbarer Bereich ist sehr linear (13.1% Abstand zum Median
Im Vergleich zu allen Geräten derselben Klasse
» 17% aller getesteten Geräte dieser Klasse waren besser, 4% vergleichbar, 79% schlechter
» Das beste Gerät hat einen Delta-Wert von 6%, durchschnittlich ist 18%, das schlechteste Gerät hat 132%
Im Vergleich zu allen Geräten im Test
» 11% aller getesteten Geräte waren besser, 3% vergleichbar, 86% schlechter
» Das beste Gerät hat einen Delta-Wert von 4%, durchschnittlich ist 25%, das schlechteste Gerät hat 134%
MSI GT75 8RG-090 Titan Audio Analyse
(+) | Die Lautsprecher können relativ laut spielen (94 dB)
Bass 100 - 315 Hz
(±) | abgesenkter Bass - 9.4% geringer als der Median
(±) | durchschnittlich lineare Bass-Wiedergabe (8.7% Delta zum Vorgänger)
Mitteltöne 400 - 2000 Hz
(±) | zu hohe Mitten, vom Median 6.8% abweichend
(±) | Linearität der Mitten ist durchschnittlich (8.4% Delta zum Vorgänger)
Hochtöne 2 - 16 kHz
(±) | zu hohe Hochtöne, vom Median nur 5% abweichend
(±) | durchschnittlich lineare Hochtöne (7.8% Delta zum Vorgänger)
Gesamt im hörbaren Bereich 100 - 16.000 Hz
(+) | hörbarer Bereich ist sehr linear (14.4% Abstand zum Median
Im Vergleich zu allen Geräten derselben Klasse
» 25% aller getesteten Geräte dieser Klasse waren besser, 7% vergleichbar, 68% schlechter
» Das beste Gerät hat einen Delta-Wert von 6%, durchschnittlich ist 18%, das schlechteste Gerät hat 132%
Im Vergleich zu allen Geräten im Test
» 16% aller getesteten Geräte waren besser, 4% vergleichbar, 80% schlechter
» Das beste Gerät hat einen Delta-Wert von 4%, durchschnittlich ist 25%, das schlechteste Gerät hat 134%
Headset-Audio-Design
Gute Tonqualität über die integrierten Lautsprecher ist nur die halbe Miete, denn die meisten Anwender greifen für eine besseres Gaming-Erlebnis früher oder später zu Headsets. Daher müssen auch die Komponenten, die für den Audioausgang verantwortlich sind, von entsprechend hoher Qualität sein, um ein möglichst gutes Signal-Rauschleistungs-Verhältnis (SRV) und eine gute Wiedergabe von Stimmen zu erzielen.
Der Schlüssel für ein gutes SRV
Entscheidend für eine möglichst hochqualitative Tonausgabe ist das Design der Schaltkreise der für die Audioausgabe zuständigen Elemente, denn nur ein gutes Design garantiert minimalen Signalverlust und minimales Rauschen.
Das PCB-Layout ist daher ein kritischer Aspekt und schon in der frühen Designphase ist es wichtig, die Leitungen auf der zur Verfügung stehenden beschränkten Fläche möglichst optimal zu führen. Der entscheidende Faktor für eine gute Audio-Chip-Performance ist neben dem PCB stack, der Größe und den onboard-Komponenten zuallererst die Masseplatte. Diese verbindet das PCB mit der Erdung des Netzteils. Die Art und Weise, wie analoge und digitale Audiokomponenten mit besagter Masseplatte verdrahtet sind und wie die Leitungen verlaufen, ist hierbei entscheidend. Die richtige Führung der Leitungen hat entscheidenden Einfluss darauf welchen elektromagnetischen Interferenzen das Signal ausgesetzt ist und wie stark diese ausfallen.
Ohne zu sehr ins Detail zu gehen sei soviel gesagt: es ist allgemein bekannt und von allen Herstellern - auch MSI - akzeptiert, dass geteilte Masseplatten einer optimalen Signalqualität entgegenstehen. Bei Untersuchungen zu diesem Thema hat MSI festgestellt, dass eine Trennung der Masseplatten im PCB für digitale und analoge Komponenten keinerlei Vorteile bringt. Die Ingenieure empfehlen daher eine einzelne, gemeinsam genutzte Masseplatte, was das PCB-Design erheblich vereinfacht. Außerdem sollte die Anzahl der Leitungen durch die Masseplatte so gering wie möglich gehalten werden. Um den Klirrfaktor zu reduzieren sollte außerdem die “Sichtlinie” zwischen Audio-Chip und Operationsverstärker frei bleiben.
Voiceboost
Gerade Multiplayerspiele profitieren enorm von der Absprache mit Mitspielern. In einem normalen Audio-Setup können die Stimmen in der Vielfalt der vom Spiel abgegebenen Töne allerdings schnell untergehen. Die Voiceboost genannte Technologie sorgt dafür, dass die Stimmen der Mitspieler und Teammitglieder besonders hervorgehoben und verstärkt werden. Dadurch kann man sich gegenseitig besser und klarer verstehen, um das nächste taktische Manöver abzusprechen und zu planen. Voiceboost wird über die MSI-Dragon-Center-Software konfiguriert.
Softwareerweiterungen
Bisher haben wir uns dem Design der Lautsprecher, ihrer Platzierung, sowie dem Einfluss der Audio-Schaltkreise auf die Audioqualität gewidmet. Gute Hardware bedingt aber auch entsprechende Software um das Maximum herauszukitzeln und genau an dieser Stelle setzen Softwareerweiterungen wie Nahimic an. Im Folgenden wollen wir uns daher näher anschauen welchen positiven Einfluss Nahimic auf das Audio-Erlebnis hat.
Rauschunterdrückung
Eine gute Rauschunterdrückung ist integraler Bestandteil des Designs eines Headsets. Anders als andere Softwareerweiterungen zur Optimierung des Audiosignals, wie Dolby Digital oder Creative SoundBlaster Cinema, bietet Nahimic erweiterte Funktionen wie die Isolierung und Betonung von Stimmen, Feinjustierung des Audio-Gates und Tonsignalstrahlenbündelung. Selbst inmitten des größten Gemetzels kann Nahimic die eigene Stimme von Hintergrundgeräuschen, wie Explosionen oder Motoren, isolieren und hervorheben. Um maximale Präzision bei der Rauschunterdrückung zu erreichen, wird die Software im Labor mit einer Vielzahl an simulierten Situationen und Umgebungen justiert und abgestimmt.
N-Force 7.1 Virtual Surround
Die meisten Spiele nutzen ebenso wie Multimedia-Software das Windows-Subsystem zur Ausgabe von Audio. Konkret bedeutet dies, dass ein Mehrkanalaudiosignal beim Anschließen eines Stereo-Headsets automatisch auf zwei Kanäle reduziert wird und jeglicher Raumklang, wie zum Beispiel ein sich von hinten nähernder Gegner, im Zuge dessen verloren geht.
Um dies zu vermeiden setzt Nahimic auf eine Technologie namens N-Force, die den Spielen ein 7.1-Audiosystem vorgaukelt. Dadurch schickt das Spiel weiterhin sämtliche Informationen, auch den Raumklang, an das Audio-Subsystem ohne dabei die zusätzlichen Kanäle zu verwerfen. N-Force sorgt jetzt dafür, dass dieses Tonsignal den sogenannten “Head-Related Transfer Function” Algorithmus (HRTF) durchläuft, der die Position der einzelnen Tonsignale ermittelt und, wenn nötig, das Signal um weitere 3D-Effekte ergänzt. Das Ergebnis ist ein viel tieferes und eindringenderes Spielerlebnis. Dank Nahimic müssen Spieler die Position von Gegnern nicht mehr erraten, sondern können Geräusche ganz konkret im wilden Mix der verschiedenen Tonsignale verorten.
Verbreiterung des Stereo-Effekts
Zusätzlich besitzt Nahimic auch noch die Fähigkeit, das Stereosignal zu erweitern um das Spielerlebnis zu intensivieren. Traditionell wird das Tonsignal sowohl bei internen als auch externen Lautsprechern in Richtung des Zuhörers gebündelt und bildet grob betrachtet etwa einen 60-Grad-Kegel um den Kopf herum. Eine Technologie namens “Crosstalk Cancellation” ermöglicht es mittels sogenannter transauraler Filter die Informationen des linken und rechten Stereokanals definierter voneinander abzutrennen, wodurch sich der Schallkegel von 60° auf 180° verbreitert.
Während der transaurale Filter den Stereo-Effekt verstärkt und verbreitert, sorgt ein binauraler Filter für eine Betonung und Verstärkung des zentralen Kanal. In einem Multi-Kanal-Setup wird dieser traditionell für die Wiedergabe von Stimmen verwendet während Umgebungsgeräusch links und rechts davon vorbeigeleitet werden. Diese Technologie erzeugt einen Schalleffekt vergleichbar mit dem eines 3.0-Lautsprechersystems.
Erweiterung des Stereo-Signals
Die meisten Audioliebhaber bevorzugen ein natives 5.1- oder 7.1-Mehrkanalsystem anstelle klassischer Headsets. Filme auf DVD und Blu-ray geben in der Regel ein DTS- oder Dolby-Digital-codiertes 5.1-Signal aus, daher ermöglicht ein 5.1-Audiosystem eine sehr gute und exakte räumliche Verortung von Tonsignalen und Geräuschen. Klassischerweise wird zum Beispiel Dialog eher in der Mitte ausgestrahlt, während Nebengeräusche links und rechts davon ausgegeben werden. Die hinteren Kanäle dienen meist für sekundäre Tonsignale, wie das unverständliche Rauschen einer Menschenmenge, hinter dem Protagonisten ablaufende Gespräche oder Schüsse von hinten.
Liegt die Toninformation aber nur in Stereo vor, können 5.1-Systeme ihre Vorteile nicht ausspielen. Mit Nahimic ist es möglich, ein Stereosignal auf ein 5.1-Signal hochzurechnen. Dabei wird das Quellsignal aufwendig analysiert und die Signale basierend auf ihren Eigenschaften voneinander isoliert. Natürlich gibt es hierbei auch diverse Einschränkungen und das Ergebnis wird nie so gut sein wie ein echtes natives 5.1-Signal. Trotzdem ist das Erlebnis aber besser als reines Stereo und spielt seine Vorteile insbesondere beim Musikhören oder bei Filmen mit Stereotonspur aus.
Einfache Bedienoberfläche
Eine einfache und intuitive Benutzeroberfläche (GUI) ermöglicht es den Benutzern die Fähigkeiten der Nahimic-Software vollends auszukosten ohne sich in einem Labyrinth an Einstellungen zu verlieren. Die jüngste Version der Nahimic-GUI wurde speziell für die Ansprüche von Gamern entwickelt. Mit Windows 10 1809 hat Microsoft eine neue Treiberplattform namens “Declarative Componentized Hardware” (DCH) eingeführt, die sich tiefer und besser in die Windows-UWP-Plattform integriert. Da Nahimic UWP unterstützt, profitiert es automatisch von Verbesserungen und automatischen Updates der Plattform durch Microsoft sowie einer Vielzahl an Kompatibilitätstests mit einer großen Anzahl an Laptops.
Die Bedienelemente der neuen Oberfläche sind übersichtlich angeordnet und beinhalten Features wie Rauschunterdrückung, ein patentiertes Sound-Tracker-Feature und einen Stimmennormalisator. Letzterer gleicht das Tonsignal der eigenen Stimme aus und normalisiert es auf ein immer gleiches Niveau unabhängig von der Entfernung zum Mikrofon. Es gibt außerdem auch einen Nachtmodus, bei dem der Pegel automatisch um 10 dB(A) gesenkt wird, um seine Mitmenschen spät nachts nicht zu stören.
Fazit
In diesem Artikel haben wir uns näher angesehen was ein gutes Audio-System in einem Laptop ausmacht, angefangen von der zugrundeliegenden Elektronik und Schaltungstechnik bis hin zur Optimierung des Tonsignals via Software. Eines ist dabei ganz klar geworden: Es ist alles andere als trivial einem dünnen Laptopgehäuse ein qualitativ hochwertiges Tonsignal zu entlocken. Für ein optimales Ergebnis müssen alle Einzelkomponenten, von den elektrischen Bauteilen bis zum Anwender, aufeinander abgestimmt sein. Schon ein einziger Fehler bei der Auswahl der Komponenten oder ein nicht ganz sauber implementierter Algorithmus können das gesamte Audioerlebnis nachhaltig ruinieren und Anwender vom Kauf oder der späteren Verwendung des Laptops abbringen. Und selbst wenn die meisten Anwender Headsets oder externe Lautsprecher bevorzugen, ist das noch lange kein Grund die eingebauten Lautsprecher zu vernachlässigen, denn auch deren Qualität ist enorm wichtig.
Wir hoffen, dass dieser Grundkurs in Laptop-Audio-Design interessant war und bei zukünftigen Laptop-Kaufentscheidungen hilfreich sein wird. Weitere Artikel in dieser Serie werden noch folgen, unter anderem wollen wir uns demnächst den Themen Farbgenauigkeit des LCD-Panels, Touchpad-Design und noch mehr widmen.
Neben der sorgfältigen Auswahl an Komponenten steht im Kern eines jeden MSI-Laptops eine Grafikkarte aus Nvidias GeForce-RTX-Turing-Generation. Egal ob man den neuesten Blockbuster wie Battlefield V mit Raytracing für optimale Bildqualität spielt oder kreative Anwendungen wie Autodesk 3DS Max, Adobe Premiere Pro, Lightroom oder DaVince Resolve nutzt, RTX-Laptops sind echte “Arbeitstiere” für Profis, Studenten und Gamer. Eine perfekte Kombination aus Freizeit und Arbeit.
