Lautsprecher: Ungereimtheiten
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richi44
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#1
08.06.2010, 13:58

Warum klingen Lautsprecher unterschiedlich? Dies ist eigentlich die grundlegende Frage, die sich jeder stellt, der sich mit Lautsprechern beschäftigt. Dabei geht es noch gar nicht mal um richtig oder falsch. Es geht nur darum, dass es Unterschiede gibt und um die Frage nach den Ursachen.

Eigentlich müsste man mal davon ausgehen, dass ein absolut ebener Frequenzgang eine konsante Lautstärke garantiert, unabhängig von der Tonhöhe. Und da taucht gleich mal die Frage auf, ob denn der Frequenzgang tatsächlich gerade ist oder ob wir uns mit der Messung betrügen. Stimmt das, was gemessen wurde oder ist es geschönt. Und das, was wir als Messresultat erhalten, ist das immer so oder nur unter bestimmten Umständen? Um diese erste Frage zu klären müssen wir uns mal schlau machen, wie denn eine Lautsprecher überhaupt funktioniert.
Bekanntlich haben wir da eine Membran, einen Magneten und eine Schwingspule. Hier hilft schon mal Wikipedia, uns die Sachverhalte etwas näher zu bringen. Und da dort alles so schön beschrieben wird wäre es unsinnig, hier das Selbe nochmals zu wiederholen. http://de.wikipedia.org/wiki/Lautsprecher

Es gibt aber gewisse Einschränkungen, die zum Teil im Wiki unklar oder nur zum Teil richtig dargestellt werden. Darauf möchte ich hier unter anderem eingehen.
Zunächst aber mal die Frequenzgangmessung am Chassis. Im Wiki lesen wir, dass sich die Membran des Lautsprechers im tiefen Bereich kolbenförmig bewegt. Das wäre der Idealfall. Mit steigender Frequenz kommt es aber zu Teilschwingungen. Und betrachten wir die Schwingung einer Membran, so gibt es eine Vielzahl von Resonanzen. Bekannt ist die Grundresonanz (40Hz?) und allenfalls Gehäuseresonanzen. Aber wenn wir den Frequenzgang eines Lautsprechers betrachten, so sehen wir ab einer gewissen Frequenz irgendwelche Spitzen und Einbrüche.
   
Dies sind eindeutig Anzeichen, dass die Membran hier nicht mehr kolbenförmig schwingt.
Haben wir es aber mit einer Resonanz zu tun, so muss sich diese immer zuerst aufbauen. Das bedeutet, dass wir beim Einschwingen sicher nicht den gleichen Frequenzgang des Lautsprechers bekommen. Und es bedeutet auch, dass sich in der Membran Energie speichert und dass diese Energie beim Beenden der Leistungszufuhr ausschwingt.
   
Und bei der vorherigen Kurve sehen wir im Impedanzverlauf (blau) kleine Sprünge bei 100Hz, 1kHz und 2kHz. Dies deutet auf kräftige Resonanzen der Membran hin, so kräftig, dass sie die Schwingspule zu Bewegungen anregt. Und diese Bewegungen könnte man mit einem Verstärker wiederum bedämpfen. Wir sehen andererseits aber auch, dass der grösste Teil der Welligkeiten im Frequenzgang keinen Einfluss auf den Impedanzverlauf hat und es somit nicht zu einer elektrischen Bedämpfung der mechanischen Teilschwingungen und Resonanzen kommen kann.

Hier ein anderer Frequenzgang:
   
Der Bereich zwischen 150Hz und etwa 5kHz könnte man als „ideal“ bezeichnen. Nur haben wir dann einen steilen Abfall und darüber eine seltsame „Gebirgslandschaft“.
Sowas sehen wir auch hier:
   
Während hier die Gebirge am Höhenende lange nicht so schlimm aussehen:
   
Bei diesen Messkurven haben wir es jeweils mit unterschiedlichen Chassis zu tun. Daher ist es glaubhaft, dass sich da andere Ergebnisse zeigen. Nehmen wir aber zwei Messkurven eines Chassis, das einmal vom Hersteller selbst vertrieben wird
   
und einmal von einer Handelsgesellschaft unter eigenem Namen
   
so ist die Differenz offensichtlich. Ich gehe zunächst mal davon aus, dass beide Firmen wissen, wie man misst und dass bei beiden die Messgeräte in Ordnung waren. Also muss es doch irgend etwas geben, das uns über den Tisch ziehen will.

Wir müssen also mal die Frage klären, wie man messen kann.
   
Mit einem Generator treiben wir den zu messenden Lautsprecher und nehmen das Ausgangssignal mit einem Mikrofon auf, dessen Ausgangsspannung wir auf einem Pegelschreiber aufzeichnen. Machen wir es natürlich genau so, so haben wir keinen Bass, weil der Lautsprecher ja kein Gehäuse hat. Wir werden also den Lautsprecher in ein Gehäuse einbauen, das (sofern wir nur das Chassis ausmessen wollen) ein bestimmtes genormtes Volumen besitzt und auch eine Schallwand genormter Grösse aufweist. Damit haben wir für alle Chassis die selben Verhältnisse (wenn wir uns denn an diese Vorgaben halten). Sie sind aber praktisch nie ideal, sodass man aus der Messkurve den tatsächlich erreichbaren Bassfrequenzgang nicht voraussagen kann.

Viel wichtiger ist aber, wie wir den Tongenerator einstellen, der den Lautsprecher antreibt. Dieser Generator kann einen konstanten Sinuston von sich geben. Oder er kann den Ton auch in einem gewissen Bereich (eine Sechstel-Oktave oder eine Drittel-Oktave = Terzband) bewegen. Oder er kann ein rosa Rauschen ausgeben, das entweder beitbandig ist oder das wieder durch ein Filter mit 1/3 oder 1/6 Oktave begrenzt wird. Oder der Generator gibt nur einen Spannungssprung aus.

Nehmen wir mal an, der Generator liefert einen konstanten Sinus (der eventuell automatisch langsam von 20Hz beginnend bis 20kHz verändert wird). Da wir einerseits die Unzahl an Resonanzen der Membran haben, andererseits aber auch Reflexionen des Wiedergaberaums (sofern wir nicht in einem speziellen reflexionsarmen Raum messen), so wird die Wiedergabekurve eine reine Berg- und Talfahrt. Dies würde so fürchterlich aussehen, dass niemand glaubt, man könne sich sowas überhaupt zumuten.
Nimmt man nun einen veränderten (gewobbelten) Sinus, wobei die Veränderung mit etwa 3Hz vorgenommen wird, so sind die Fehler zwar immer noch vorhanden, aber man kann ja am Schreiber die Auslenkgeschwindigkeit des Stifts reduzieren und damit die Ausschläge glätten. Betrachten wir die beiden Schriebe des selben Lautsprechers, so ist ersichtlich, dass der erste welliger ist und somit vermutlich die Stiftgeschwindigkeit dort höher war als bei der zweiten Aufzeichnung. Damit ist die Überhöhung bei 8kHz der zweiten Aufzeichnung noch nicht geklärt, aber das lassen wir im Moment mal beiseite.
Sicher ist zunächst, dass diese Stiftgeschwindigkeit eine Rolle spielt, wie der Schrieb letztlich aussieht. Und wenn wir den Sinus kontinuierlich verändern würden und nicht wobbeln, so würde es auch eine Rolle spielen, wie schnell der Stift reagiert und wie schnell der Vorschub des Schreibers wäre, wie lange also die Messprozedur dauert. Demenstprechend mehr Details wären (bei langsamem Vorschub) sichtbar.

Noch unterschiedlicher wird die Geschichte, wenn wir statt des Sinus rosa Rauschen verwenden. Dies ist ein Gemisch sämtlicher Frequenzen. Und da sich die einzelnen Teilsignale addieren ist es möglich, dass ein solches Teilsignal momentan positiv oder negativ sein kann und dementsprechend das Messsignal stark im Pegel variiert. Das bedeutet also, dass wir dem Lautsprecher schon ein unkonstantes Signal zuführen und damit der Stift schon eine breite, wellige Kennlinie zeichnen würde. Da ist es also nicht nur die Welligkeit durch die Membranresonanzen, sondern auch jene durch das rosa Rauschen. Beide Messmethoden sind im Grunde richtig und zulässig und trotzdem erscheinen da zwei sehr unterschiedliche Messkurven.
Nun muss man einfach beachten, dass schmale Frequenzgangfehler weit weniger deutlich auffallen als breite Überhöhungen. Und genau darum ist es ein Stück weit richtig, die Fehler durch eine langsamere Reaktion des Schreibstiftes zu glätten.

Man kann aber wie erwähnt auch einen Sprung als Signal verwenden. Durch Fourier wissen wir, dass man jede beliebige repetierende Signalform durch einzelne Sinssignale entsprechender Frequenz und Start-Phasenlage darstellen kann. Und nehmen wir einen Sprung, der im Abstand einer Sekunde wiederholt wird, so haben wir in diesem Signal alle Frequenzen ab 1Hz enthalten. Und man kann bei der Auswertung ein Zeitfenster definieren, während welchem die Messung durchgeführt wird. Damit können Raumreflexionen ausgeschaltet werden, zumindest wenn man nur den Frequenzbereich der Mitten und Höhen messen will. Auch diese Methode ist zulässig, ergibt aber wiederum eine andere Kurve. Hier kann man sich nun vorstellen, dass die Membran „aus dem Stand“ voll beschleunigt wird und dass es sich nicht um einen eingeschwungenen Zustand handelt. Was man daher zu sehen bekommt ist ein anderes Signal. Wenn man es musikalisch betrachtet so sind die Messungen mit Sinus oder Rauschen den ausgehaltenen Streicher- oder Orgelklängen vergleichbar, der Signalsprung aber der Art von Schlag- und Zupfinstrumenten entsprechend. Ob also eine Messkurve das zeigt, was ich letztlich zu hören bekomme oder ob es geschönt ist durch entsprechend langsame Schreibgeschwindigkeit kann ich allenfalls erahnen. Sicher ist auf jeden Fall, dass starke Pegelschwankungen wie bei der zweiten und dritten Kurve auf starke Resonanzen hindeuten und damit schon ein „No Go“ darstellen.

Um so eine Aussage zu treffen muss man natürlich einmal die Arbeitsbereiche eines Lautsprechers betrachten. Und es ist nun unbestritten, dass aus wissenschaftlicher Sicht ein Beritbandlautsprecher nicht funktioniert. Im Grunde möchten wir einen „Kolbenstrahler“ ohne Teilschwingungen. Und das ist ganz einfach nicht zu machen über den ganzen Frequenzbereich.

Kehren wir nochmals zu den Bildern 3, 4 und 5 zurück. Bild 5 ist relativ ausgeglichen, Bilder 3 und 4 dagegen zeigen das besagte „Gebirge“. Aus dem bisher gesagten muss man annehmen, dass es sich in diesen Fällen um Resonanzen handelt, die in Bild 5 nicht so stark ausfallen. Der Unterschied ist hauptsächlich, dass die Chassis in Bild 3 und 4 Metallmembranen besitzen, die relativ leicht und starr sind, die andererseits aber eine geringe Eigendämpfung besitzen und damit die Schwingungen begünstigen.
Jetzt sind (despektierlich gesagt) Blechtröten In. Und da dies so ist hat jeder „anständige“ Hersteller solche im Programm. Interessanterweise findet man aber solche Chassis meist nur im Heimbereich, allenfalls noch bei Beschallungsanlagen aber eigentlich nicht bei seriösen Studioausrüstern.

Liest man die Lobreden einzelner F(l)achblätter, so klingen die Blechdinger frisch, knackig, dynamisch, also alles Begriffe, die nichts wirklich mit der Akustik zu tun haben. Man könnte auch sagen, die zusätzlich und künstlich erzeugten Harmonischen (Klirr) geben dem Klang eine Helligkeit, weil ja damit der Anteil an hohen Frequenzen zunimmt, der ursprünglich nicht vorhanden war. Wenn ich die natürlichen Harmonischen betonen will, so kann ich dies mit einem dezenten, breitbandigen Klirr erreichen oder ich kann mit dem Klangregler die Höhen etwas betonen. Natürlich ist dies nicht das Selbe. Aber es wären die Töne, die ja schon da sind und dazu gehören, die ich betont habe und nicht „artfremde“ Eigengeräusche. Sowas kommt mir vor wie Fastfood. Viel Fett, viel Salz und viel Zucker, also alles Geschmacksträger, die aus dem normalen Geschmacksrest etwas zaubern wollen oder sollen, das eigentlich so nicht vorhanden ist. Und wird sowas zu hauf konsumiert, weiss man bald nicht mehr, wie es eigentlich sein sollte.

Jetzt könnte man sich ja auf den Standpunkt stellen, dass man diese kritischen Bereiche nur nicht anregen muss, dann bleiben sie stumm. Das ist im Prinzip richtig. Das Problem ist aber, dass wir wie früher beschrieben zur Wiedergabe eines Impulses nicht nur die richtigen Frequenzen haben müssen, sondern diese Harmonischen auch in der richtigen Phasenlage vorliegen müssen. Und da wird es kritisch. Wiki schreibt, dass wir die Phasenlage eigentlich nicht beurteilen können. Es sei aber festzustellen, dass eine unterschiedliche Gruppenlaufzeit hörbar sei (Wikipedia). Nun muss man aber erst mal darlegen, wass denn eine Gruppenlaufzeit sein soll.

Nehmen wir einmal an, wir hätten einen Ton direkt vom Lautsprecher und eine Reflexion mit einer logischerweise längeren Wegstrecke. Und nehmen wir weiter an, da dudelt etwas vor sich hin. An meinem Hörplatz ergibt sich jetzt ein Gemisch von Direktschall und Verzögerung. Und je nach Distanz und je nach Tonhöhe können sich die beiden Signale addieren, also unterstützen oder sie können sich auslöschen. Wenn wir also von einer Laufzeit in dem Sinne reden, so ist es eine daraus resultierende Phasenverschiebung der zwei Signale. Sowas können wir auch elektronisch erzeugen. Der Witz an der Sache ist aber, dass in der Natur die Reflexion genau gleich startet wie der Direktschall, denn es ist das selbe Signal. Und gäbe es keinen Direktschall, so wäre für uns halt die Reflexion die Referenz. Elektronisch aber starten die beiden Signale gleichzeitig (wenn es sich nicht um eine echte Verzögerung handelt), also ohne Verzögerung. Aber das elektronisch bearbeitete Signal startet ev. mit negativer Phase, während das Original positiv startet. Nun macht es einen riesen Unterschied, ob ich eine echte Verzögerung habe oder einfach eine Phasendrehung ohne Verzögerung.
Natürlich, im eingeschwungenen Zustand, also bei einem Orgelton ist es das Selbe. Aber bei einem Trommelschlag ist es nicht das Selbe, ob die Reflexion später kommt oder gleichzeitig, aber verpolt.
Ich will damit sagen, dass die ganze Geschichte um die Gruppenlaufzeit ein theoretisches Konstrukt ist und nichts mit der Realität zu tun hat. Und daraus lässt sich schlüssig ableiten, dass wir sehr wohl in der Lage sind, neben der eigentlichen Signalverzögerung (Richtungsinformation als Zeitdifferenz der Ohren) auch eine Phasendifferenz und damit ein Stück weit die Impulsform zu „hören“.

Hier mal eine kurze Zusammenfassung:
Da es nicht möglich ist, eine Membran über den ganzen Musikbereich kolbenförmig schwingen zu lassen, kommt es zu Resonanzen, welche zum Einschwingen Energie benötigen und diese speichern und sie beim Ausschwingen wieder abgeben. In der Energiebilanz haben wir also einen deutlichen Unterschied zwischen Ein- und Ausschwingvorgang. Und da wir vor allem auf den Einschwingvorgang reagieren (weil es da noch keine Reflexionen zu hören gibt) verfälschen solche Lautsprecher extrem.
Weiter verhindert die Intermodulation durch den Dopplereffekt eine saubere Wiedergabe, wenn die Membran gleichzeitig Bässe und Höhen übertragen soll.
Sowohl Resonanzen wie Intermodulationen liefern einen Eigenklang, der das Musikgeschehen bereichern kann, der aber nichts mit den ursprünglichen Klängen zu tun hat. Je nach Musikart kann nun so eine Beeinflussung die Musik „beleben“, es wird sie aber mit Sicherheit verfälschen.
Und es ist erwiesen, dass sich in bescheidenem Umfang Signalformen „hören“ lassen. Natürlich, die Signalform eines grossen Orchesters ist zu komplex um sie genau aufschlüsseln zu können. Aber die Klänge einzelner Instrumente können wir sehr wohl auch aufgrund der Signalform unterscheiden und zuordnen.
Nun haben wir die Membranresonanzen, und jede Resonanz führt neben der Frequenzgangbeeinflussung zu Phasendrehungen. Und immer wenn wir eine Signalform aus Einzeltönen zusammensetzen wollen (Fourier) so ist die gegenseitige Phasenlage massgebend. Haben wir es also mit Resonanzen zu tun, so ist dieses Problem vorhanden.

Betrachten wir nun nochmals Bild 3 und konzentrieren uns auf den Frequenzbereich 2 bis 5 kHz:
   
Da sehen wir einen ausgeglichenen Frequenzbereich bei rund 89dB (im Mittel). Bei 6,5kHz aber haben wir ein steiles Minimum. Und zwar mit einer Absenkung von fast 20dB. Man könnte nun annehmen, dass uns eine Absenkung nicht zu kümmern braucht. Tatsache ist aber, dass so eine Absenkung ebenfalls eine Resonanz ist. Wenn die Membran so schwingt, dass sich die halbe Fläche nach aussen bewegt, während sich die andere Hälfte nach innen bewegt, so ist eine Bewegung vorhanden und es ist Energie im Spiel, aber es kommt unter dem Strich keine Ton zustande, weil sich die Luftbewegungen gegenseitig aufheben. Diese Bewegung schwingt aber garantiert aus und diese Bewegung führt zusammen mit anderen Frequenzen zwangsläufig zu Intermodulationen, die ihrerseits dann hörbar werden. Und die Absenkung um 20dB deutet auf ein kräftiges Schwingen hin. Um dieses auszulösen reicht ein Hundertstel der Leistung aus, den ich für eine gleich starke Membranbewegung bei 3kHz benötigen würde! Will ich also diese Bewegung verhindern, so muss ich bereits weit vor den 6,5kHz die Ansteuerung unterbinden. Ich müsste die Trennung also (je nach Weiche) bereits bei rund 750Hz vornehmen. Dann brauche ich aber keinen Mitteltöner.

Hier zwischendurch ein anderes Problem mit Wikipedia:
Da ist irgendwo die Rede davon, dass wir uns eigentlich nicht um die Membranbwegung kümmern müssten, weil wir dies nicht wahrnehmen, sondern dass der Schalldruck hörbar sei. Und dieser Schalldruck entspricht der Membranbeschleunigung.
Nun haben wir mal eine Membran mit ihrer Ruheposition. Und wenn wir da ein Tonsignal drauf geben, so ändert sich diese Position.
Eine Positionsänderung geschieht in einer bestimmten Zeit, schneller = höherer Ton, langsamer = tiefer Ton, grosse Auslenkung = laut, kleine Auslenkung = leise.
Zusätzlich benötigt ein tiefer Ton bestimmter Lautstärke die vierfache Auslenkung gegenüber einem gleich lauten, doppelt so hohen Ton. Dies sagt noch nichts über den Schalldruck aus, wohl aber über die Membrangeschwindigkeit, welche nichts weiter ist als die erste mathematische (oder mechanische) Ableitung der Position. Und wenn wir mal die momentane Membrangeschwindigkeit haben, so können wir daraus mit der nächsten Ableitung die Beschleunigung errechnen oder erzielen und das entspräche dann dem hörbaren Schalldruck.

Natürlich hören wir nicht die Membranposition. Aber sie ist die erste Voraussetzung, dass wir überhaupt jemals etwas von unserem Lautsprecher hören können. So wie es bei Wiki beschrieben ist könnte man sich fragen, wozu denn die Membran nötig sei, wenn doch deren Position uninteressant ist. Wenn wir aber „Ursachenforschung“ betreiben, so kommen wir bei der Beschleunigung nicht um die Geschwindigkeit herum und bei der Geschwindigkeit nicht um die Position. Das, was als Beschleunigung letztlich hörbar ist hat seinen Ursprung in der Position und damit ist diese sehr wohl von Interesse.
Ich weiss, das war jetzt recht theoretisch. Aber es hat seinen Sinn wie wir später noch sehen werden.

Jetzt nochmals kurz zu den Impulsformen. Ich habe gesagt, dass es notwendig ist, die Teilfrequenzen in richtiger Stärke und Phasenlage zu verarbeiten. Und ich habe gesagt, dass die Resonanzen die Phasenlage beeinflussen. Es ist aber auch unbestritten, dass die Weiche die Phasenlage beeinflusst. Aus diesem Grund sollten wir generell versuchen, im Bereich in welchem das Ohr für Phasen (oder Gruppenlaufzeiten) besonders gut reagiert keine unnötigen Phasenfehler einzubauen, also dort keine Trennungen vorzunehmen. Und immer dann, wenn wir steile Filter verwenden, um irgendwelche „Problemzonen“ des Lautsprechers auszufiltern bauen wir zusätzliche Phasenprobleme ein.
Man könnte jetzt sagen, dass ein Breitbandlautsprecher diese Weichenproblematik nicht habe. Aber er hat in sich Resonanzen, welche noch problematischere Phasenverhältnisse schafft. Es ist also auch keine Lösung.
Wenn wir also die Phasenprobleme der Weiche ausklammern wollen (oder auf das Minimum beschränken), so kommt nur eine Trennung bei 300Hz und 5kHz in Frage. Wird der Mittenbereich gegenüber dem Bass höher und gegen den Hochtöner tiefer getrennt (im Extremfall eine Zweiwegbox), so ist die Phasenproblematik dort angesiedelt, wo wir sie mit Sicherheit hören. Verwende ich aber Lautsprecher mit „Gebirge“ (Bilder 3 und 4), so kann ich nicht einerseits flach trennen, um keine Phasenprobleme zu bekommen, andererseits aber versuchen, die kritischen Resonanzen auszublenden und gleichzeitig die Trennung so zu legen, dass die restlichen Phasenprobleme ausserhalb von 300Hz und 5kHz liegen. Und es ist dabei absolut egal, ob ich eine passive Weiche mit Kondensatoren und Spulen baue oder eine aktive und eigenen Verstärkern für jedes Chassis, zumindest solange ich analoge Filter verwende. Eine einfache Weiche bringt es auf Phasenfehler von +/-45 Grad bei der Trennung,
   
eine Weiche mit 24dB Steilheit hat zwar (Trennfrequenz 1kHz) erst bei etwa 700Hz einen messbaren Pegelabfall (-0.17dB), bei 300Hz noch garantiert Abfall Null, aber bereits da einen Phasenfehler von 45 Grad und bei den 700Hz einen solchen von 114 Grad.
   
Da ergeben sich doch Impulsformen, die nichts mehr mit dem Original zu tun haben und durch die akustische Addition der Lautsprechesignale ergeben sich Auslöschungen, die einen mehr als fürchterlichen Frequenzgang erzeugen.

Wenn ich also hier nochmals eine kurze Zusammenfassung aufzeige, so kommt zutage, dass sich die Chassisfehler nicht durch Weichen geringer Steilheit beheben lassen, andererseits aber steile Weichen zu Phasengängen führen, die keinen linearen Frequenzgang ermöglichen. Und es ist dann schlicht aussichtslos, sich Gedanken um die Phasenverhältnisse zu machen.


Man liest immer wieder, dass es bei den Chassis-Parametern Zusammenhänge gibt. So ist der Wirkungsgrad (der sich im Kennschalldruck manifestiert) abhängig von der Resonanzfrequenz und der Membranmasse. Und dies ist ein Zeichen, wie hart die Membran eingespannt ist, was sich wieder im Vas äussert. Ich gehe weder auf die einzelnen Begriffe noch auf die Zusammenhänge ein, denn das ist im Wiki und an verschiedenen anderen Orten beschrieben. Tatsache ist einfach, dass ich mit einem Boxen-Berechnungsprogramm das Boxenvolumen berechnen kann, das mit einem bestimmten Tieftöner die beste und ausgeglichenste Basswiedergabe erzielt. Und da spielen die besagten Chassis-Parameter eine Rolle. Wenn ich ein grosses Qts habe, so brauche ich ein grosses Gehäuse. Habe ich ein kleines Qts, so habe ich eine hohe Bedämpfung, was vorteilhaft sein kann, was aber entweder einen Bassabfall erzeugt oder einen schlechten Wirkungsgrad oder ein kleines Gehäuse mit entsprechend hoher Grenzfrequenz.

Wenn ich also einen guten Bass will, so kann ich kaum mit einem Qts von >0,45 arbeiten. Ich kann aber auch kein Qts < 0,3 wählen, weil sonst das Gehäuse zu klein und damit die Grenzfrequenz zu hoch wird.
Nehme ich einen Lautsprecher mit tiefer Resonanz und schwerer Membran, so bekomme ich selbst bei einem relativ kleinen Gehäuse einen guten Bass, aber der Wirkungsgrad wird tief bleiben und damit der Kennschalldruck bei etwa 85dB landen.
Und nehme ich einen Mitteltöner oder Breitbänder, so verlangt der hohe Kennschalldruck nach einer leichten Membran mit hoher Steifigkeit aber damit entsprechend geringer innerer Dämpfung, was Resonanzen zur Folge hat.
Kurz ich kann es drehen wie ich will, die Zusammenhänge lassen mir zwar die Wahl, aber ich bekomme nicht die eierlegende Wollmilchsau. Ich kann also nicht einerseits eine resonanzarme Membran verlangen, andererseits aber auch einen hohen Wirkungsgrad. Und wenn ich beides finde, so ist die lineare Auslenkung so klein, (oder gar nicht vorhanden), dass es selbst bei kleinen Lautstärken zu Klirr und Intermodulationen kommt, etwas, das ich mit Sicherheit vermeiden möchte.

Bleibt noch ein Gedanke: Warum nicht den Lautsprecher aktiv machen und die Fehler entzerren?
Generell gibt es drei Möglichkeiten: Man kann den Innenwiderstand des Verstärkers negativ machen und damit den Drahtwiderstand der Schwingspule kompensieren. Dieses Prinzip ist das einfachste und kann bei richtiger Dimensionierung das Ausschwingen des Lautsprechers optimal bedämpfen. Das Problem dabei ist, dass die im Grunde höhenlastige Wiedergabe eines Lautsprechers (Strahlungswiderstand) damit wieder akut wird. Es ist also zunächst eine einfache Entzerrung nötig. Und es wird damit erreicht, dass der Membranantrieb im eingeschwungenen Zustand richtig erfolgt. Sobald wir aber ein Gehäuse mit einem „Resonator“ haben (Bassreflex, TML, Horn) ist nicht mehr das Chassis allein massgebend sondern das Zusammenspiel mit der Box und damit scheidet diese Möglichkeit aus. Weiter wird zwar das Ausschwingen optimal kontrolliert, nicht aber das hörtechnisch viel wichtigere Einschwingen. Dieses erfolgt unkontrollierter und damit schlechter.
Die zweite Möglichkeit ist, die Membranbeschleunigung (Beschleunigungssensor), deren Geschwindigkeit (Abnehmerspule) oder deren Position (Lichtschranke) zu analysieren. Dummerweise startet die Membran beim Einschwingen immer synchron zum Tonsignal (es gibt ja keine andere Möglichkeit), im eingeschwungenen Zustand aber arbeitet sie (oberhalb der Grundresonanz!) 180 Grad verpolt. Wendet man nun so einen Positionsmelder an, so arbeitet dieser entweder im eingeschwungenen Zustand oder beim Einschwingen phasengedreht, was zu Schwingung führt. Oder das System wird nur unterhalb der Eigenresonanz angewendet und kontrolliert nur den Bassbereich. Oder die Wirkung wird so gering gewählt, dass keine wirkliche Unterstützung erfolgt.
Die dritte Möglichkeit wäre ein Filter, das umschaltbar ist, das die Musik analysiert und zwischen Ein- und Ausschwingen unterscheidet (was nicht machbar ist) und die Chassisfehler damit kompensiert. Das Problem ist, dass selbst die einfachste Art eines Ersatzschaltbildes des Lautsprechers sehr komplex wird. Und da sich wie früher erwähnt die Membranresonanzen kaum oder nicht in den elektrischen Parametern niederschlagen, lassen sie sich auch nicht entsprechend in das Ersatzschaltbild integrieren. Und damit können sie nicht durch eine Umkehrung der Schaltung kompensiert werden. Schaltungen dieser Art können sich auf einfache Equalizer beschränken oder komplex aussehen, liefern aber letztlich nur sehr bescheidene Verbesserungen.


Wenn ich also den Inhalt der ganzen Abhandlung zusammenfasse, so sind die Fehler des Lautsprechers bei weitem nicht nur die Frequenzgangfehler im eingeschwungenen Zustand (was der Frequenzgangschrieb darstellt), sondern es sind (neben Klirr und Intermodulation) hauptsächlich Fehler, die während des Ein- und Ausschwingens entstehen und daher mit üblichen Mitteln kaum gemessen werden können.
Wenn man sich bestimmte Parameter als Richtschnur hernimmt und eine Chassisauswahl nach diesen Kriterien trifft, verbaut man sich oft die Konstruktion eines guten Lautsprechers, weil die gewählten Parameter (Kennschalldruck) oft im Widerspruch zu klanglich relevanten Parametern stehen.
Für eine ausgeglichene Wiedergabe ist zwar der Frequenzgang im eingeschwungenen Zustand interessant, aber es ist genau so wichtig, dass er im Ein- und Ausschwingen noch unverändert bleibt, was mit starken Resonanzen der Membran nicht möglich ist. Es macht daher Sinn Membranen zu wählen, die „frei“ von solchen Resonanzen sind.
Und es ist ebefalls wichtig die Phasenverhältnisse zu beachten. Damit ist auch die Steilheit der Weiche beschränkt, was wiederum entsprechend gute Chassis verlangt, da Chassisfehler durch die Weiche unterdrückt zu neuerlichen Phasen- und Impulsfehlern führt.
Und es bleibt ein letztes Problem:
Die Herstellermessungen sind interessant, aber nicht unbedingt aussagekräftig, da verschiedene Hersteller verschiedene Messmethoden anwenden, die keinen direkten Vergleich zulassen. Daraus kann man ableiten, dass Kurven mit fragwürdigen Verläufen generell Probleme generieren werden, dass aber schöne Kurven nicht unbedingt hohe Qualität garantieren.

Und schlussendlich muss man sehen, dass Industrieprodukte Umsatz generieren sollen, also auf Modeströmungen Rücksicht nehmen, kaum aber auf technische Gegebenheiten. Daher sehen Heimboxen meist besser aus als Studiomonitore, wo es um den Klang und die Technick geht. Und generell sollte man sehen, dass wir heute sehr viel mehr wissen, wie ein Lautsprecher funktioniert als es noch vor 25 Jahren der Fall war. Es ist heute möglich, Lautsprecher aus der Erfahrung und den Messgrössen zu konstruieren. Man hat ein vertieftes Wissen über den Hörvorgang und kennt Zusammenhänge, über die man früher gestolpert ist und nicht wusste, warum eine Box gut oder schlecht klingt. Und daher ist es heute durchaus möglich, gute Boxen zu konstruieren und zu berechnen, etwas das noch vor 20 Jahren nicht in dem Masse denkbar war.
Natürlich macht das Basteln nach wie vor Spass, aber es ist nicht mehr der Königsweg zur guten Box, dieser führt heute über die Kenntnis der Zusammenhänge und deren Respektierung. Dass wir natürlich noch nicht am Ende des Weges angelangt sind, versteht sich...
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richi44
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#2
28.06.2010, 14:51

Im Folgenden geht es nicht eigentlich um Ungereimtheiten, sondern um die verschiedenen Zusammenhänge und wie sich die Lautsprechertechnik entwickelt hat.

Im Grundsatz haben sich schon sehr früh zwei mögliche Wege aufgezeigt: Einmal das Horn und zum Zweiten die grosse Membran. Man hat nämlich festgestellt, dass man mit beiden Mitteln einen erhöhten Schalldruck erreichen kann.
    Beim Trichter war eine normale Kopfhörerkapsel eingebaut, beim Freischwinger kamen Membranen von üblicherweise rund 30cm und mehr zum Einsatz.
   
Es ging also erstmal um eine Steigerung des Schalldrucks und nicht um eine Erhöhung der Tonqualität, denn diese war ja schon durch die Studiotechnik, etwa die Mikrofone recht bescheiden. Es spielte keine Rolle, dass sich beim Freischwinger ein akustischer Kurzschluss zwischen Vorder- und Rückseite bildete. Das Gehäuse war nur Schmuck und nicht akustische Notwendigkeit. Und das blieb so bis in die 60er Jahre. Erst da kamen die ersten Gehäuse auf, die auch wirklich eine akustische Rolle spielten.
   
Bei vielen Herstellern war es aber nach wie vor Zufall, ob ein klanglich besseres oder bescheideneres Ergebnis erzielt wurde. Man hat schon vor dieser Zeit geforscht und nicht nur festgestellt, dass es Zusammenhänge zwischen „Gehäuse“ (Trichter), Membranfläche und Klang geben muss. Nur waren die Zusammenhänge noch nicht entschlüsselt.
Man hat schon recht früh erkannt, dass mit einem Trichter selbst bei kleinen Membranen ein ordentlicher Schalldruck zu erzielen war, der ohne diesen nur mit grossen Membranen erreicht wurde. Heute weiss man, dass es durch den Trichter oder die grosse Membranfläche zu einer besseren Anpassung zwischen Lautsprecher und Umgebungsluft kommt.

Als die Plattenspieler mit besseren Abtastungen ausgerüstet wurden, waren Frequenzen von etwa 8kHz bereits Realität. Und damit mussten auch Lautsprecher gefunden werden, welche besser waren als Mittelwelle.
Man hat jetzt festgestellt, dass Lautsprecher mit grossen Membranen mit den hohen Tönen Mühe hatten. Wenn man den heutigen „Erkenntnissen“ glauben würde müsste man sagen, dass durch die grössere Membran zwar deren Masse zunimmt und damit der Wirkungsgrad sinkt, dass es aber keinen Einfluss auf die Höhenwiedergabe geben sollte. Dass dem nicht so ist, ist erstens bekannt und zweitens auch dadurch begründet, dass sich vor allem das Einschwingen deutlich verschlechtert, was den Klang negativ beeinflusst.

Kurzum, man hat kleinere Lautsprecher mit harter Membraneinspannung und möglichst leichten Membranen gebaut und diese wie im folgenden Bild mit dem grossen Tieftöner kombiniert.
   
Letztlich waren mit solchen Kombinationen Frequenzbereiche von 50Hz bis etwa 15kHz zu bewältigen. Dies bei normalen Messungen, also im eingeschwungenen Zustand.
Nach wie vor war aber nicht klar, warum einzelne Chassis und Fabrikate besser klangen als andere. Man hat sich in erster Linie darauf beschränkt, mit der Membranform zu experimentieren.
Im Wesentlichen blieb es aber dabei, dass die Membran, ob rund oder oval, aus einem Papier mit unterschiedlicher Faserbeschaffenheit bestand. Und es war festzustellen, dass sich durch die unterschiedliche Struktur die Festigkeit der Membran, ihre Masse und innere Dämpfung veränderte. Und dies hatte alles Einfluss auf den Klang. Es wurde aber auch mit der Form des Konus experimentiert, so gab es Formen, die eine unterschiedliche Steigung der Membran in Abhängigkeit vom Durchmesser hatten, also nahe des Zentrums steil verliefen, gegen den Rand aber flacher wurden. Dies nannte man „Nawi“ (nicht abwickelbar). Damit wurde mit steigender Frequenz der Membrandurchmesser „verringert“. Dies geschieht aber auch bei konstnten Steigungen, da die Membran eh aufbricht und es zu Teilschwingungen kommt. Ob und wie gross die Vorteile ausgefallen sind war reiner Zufall und nicht vorhersehbar.

Und nach wie vor gab es vornehmlich offene Gehäuse, also reine Schallwände. Hornkonstruktionen wurden damals hauptsächlich für höhere Schalldrücke eingesetzt, etwa in Kinos, denn Verstärkerleistung war zu Rörenzeiten noch teuer.
Andere Gehäusekonstruktionen wie Bassreflex waren zwar 1950 schon bekannt, wurden aber selten eingesetzt. Der Grund war, dass man sie eigentlich nicht berechnen konnte. Ich erinnere mich an Unterlagen aus jener Zeit, da gab es z.B. für die beiden Wigo-Tieftöner (30 und 40cm) je eine Box mit 200 und 400 Liter Volumen und mit einer Bassreflexöffnung in der Schallwand. Da deren Dicke nicht angegeben wurde, musste man die Öffnung verändern können, um nach Ohr das optimale Ergebnis zu erzielen.
Man kannte damals den Begriff Eigenresonanz und das wars. Die Güte oder das Äquivalent-Volumen waren unbekannt. Und damit war jede Berechnung unmöglich. Und auch in den 60ern, als die ersten Hifiboxen auf den Markt kamen, unter anderem von Grundig, gab es von diesem Hersteller Lautsprecherbausätze mit bereits brauchbaren Tieftönern, aber ohne Berechnungsparametern. Vielmehr gab es dazu schwammige Gehäuseempfehlungen.
   
Wenn man eine Box mit einem Simu-Programm berechnet, so ist es absolut undenkbar, ein Gehäusevolumen von 50 bis 100 Liter anzunehmen, dies muss wesentlich genauer eingehalten werden!
   
Es ist auch ersichtlich, dass man die Lautsprecher nicht nach akustischen Gesichtspunkten auf der Schallwand anordnete, sondern nach optischen. Der Klang solcher Konstruktionen war mehr zufällig als gewollt. Und Grundig steht da stellvertretend für die ganze Gruppe an Herstellern.

In jener Zeit hat Thiele (und später auch Small) die Zusammenhänge erforscht und ist zu ersten Schlussfolgerungen gelangt. Im Grunde war bereits bekannt, dass es Zusammenhänge zwischen Tieftonwiedergabe, Gehäusegrösse, Resonanzfrequenz und Membranmasse geben muss. Der K&H OY war einer der ersten Lautsprecher, welcher diese Zusammenhänge ausnützte.
   
Er war in Aktivtechnik mit zwei getrennten Verstärkern ausgestattet. Damit war es problemlos möglich, den unterschiedlichen Wirkungsgrad von Tieftöner und Mittel-Hochtöner anzupassen.
   
Und dieser Lautsprecher verfügte über einen Tieftöner mit ausgesprochen schwerer Membran.

Wenn man mit einem heutigen Simulationsprogramm rum spielt, etwa dem BassCad, so kann man die einzelnen Parameter verändern und sieht, wie andere Parameter damit ebenfalls beeinflusst werden. Erhöht man die Membranmasse, so nimmt die Grenzfrequenz ab, aber der Kennschalldruck sinkt auch.
Verändert man die elektrische Güte, so verändert sich die Totalgüte und für eine ausgewogene Wiedergabe sollte diese (mit dem Gehäuse) bei rund 0,7 liegen. Wird die Totalgüte kleiner, so muss das Gehäuse verkleinert werden, um die angestrebte Systemgüte von 0,7 zu erreichen. Damit steigt aber die Grenzfrequenz der Box, es nimmt also die Tiefbassfähigkeit ab. Vergrössert man das Gehäuse, nimmt die Tiefbassfähigkeit zu, aber der Bass wird allgemein schwächer.

Es ist aber die elektrische Güte, welche noch einen weiteren Einfluss hat. Ist diese Güte „hoch“, so wird der Lautsprecher nur wenig durch den Verstärker kontrolliert. Das Ein- und Ausschwingen der Membran ist ziemlich unkontrolliert. Ist die Güte „klein“, so wird der Lautsprecher sehr gut kontrolliert, aber es ergibt sich eine ungenügende Tiefenwiedergabe.
Man kann sich das unter anderem etwa so vorstellen: An den Lautsprecher gelangt eine Spannung vom Verstärker. Diese Spannung lässt in der Schwingspule einen Strom fliessen, der von ihrem Drahtwiderstand abhängt. Der Strom kann zunächst sicher nicht grösser werden. Nun hat die Schwingspule durch ihre Windungen eine Induktivität und dies reduziert den Strom frequenzabhängig (bei hohen Tönen weniger Strom). Dieser Einfluss ist aber im eigentlichen Tieftonbereich noch gering. Viel wichtiger ist folgendes: Fliesst der Strom, so bildet sich ein Magnetfeld, welches mit dem Dauer-Magnetfeld zusammen reagiert und die Spule bewegt, was die Membran bewegt. Diese Bewegung der Spule führt aber ihrerseits zu einer Spannung in der Spule, welche der angelegten Spannung entgegen wirkt und so die wirksame Spannung reduziert. Damit sinkt letztlich die Auslenkung mit steigender Frequenz, was die Basswiedergabe begünstigt.

Ich weiss, es hört sich wieder verd.... kompliziert an, aber letztlich ist es so, dass diese Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern und der Systemgüte zu einer ausgeglichenen Wiedergabe führt. Ändert man irgend etwas an der Systemgüte (wie ja das Simulationsprogramm zeigt) so ändert sich die Basswiedergabe. Und ändert man etwas an der elektrischen Güte (Veränderung durch einen Vorwiderstand mit positivem oder negativem Vorzeichen, was einer Veränderung der Magnetfelder entsprechen kann), so ändert sich ebenfalls die Systemgüte und damit die Basswiedergabe. Im Extremfall kann man den Drahtwiderstand voll kompensieren und erhält so eine fast 100%ige Dämpfung, damit aber auch einen Bassabfall mit konstanter Steilheit.
Und zu erwähnen ist natürlich, dass der Lautsprecher einen bestimmten Membranhub ermöglichen soll, ohne zu verzerren. Und letztlich führt auch dies zu einer Beeinflussung der elektrischen Güte.

Dieser komplexe Teil soll zeigen, dass man allenfalls mit einer Aktivbox so eine maximale Kontrolle des Lautsprechers erreichen kann, dass man dann auch den dadurch bedingten Frequenzgangfehler ausgleichen kann und dass man dann auch mit der Wahl der Gehäusegrösse „frei“ ist.
Im anderen Fall aber, wo wir einen Verstärker ohne Kunstkniffe einsetzen wollen (normale Stereoanlage) müssen wir mit der Wechselwirkung leben. Hier als Beispiel drei Lautsprecher:

Ciare HW204 (20cm)
Kennschalldruck 93dB
Gehäuse Bassreflex 17 Liter
Auslenkung 9mm pp
Grenzfrequenz 61Hz

Monacor SPH-200KE (20cm)
Kennschalldruck 90dB
Gehäuse Bassreflex 46 Liter
Auslenkung 9.5mm pp
Grenzfrequenz 29Hz

Monacor (Tangband) SP8XTB (20cm)
Kennschalldruck 87dB
Gehäuse Bassreflex 140 Liter
Auslenkung 18mm pp
Grenzfrequenz 23Hz

Man könnte jetzt Chassis mit gleichen Durchmessern (wie hier) oder mit gleichen Auslenkungen oder gleichen Kennschalldrücken vergleichen und käme zu sehr unterschiedlichen Resultaten. Man kann aber feststellen, dass man bei einem Chassis mit passablem Kennschalldruck und hoher linearer Auslenkung nicht gleichzeitig ein kleines Gehäuse mit gutem Bass haben kann. Und es führt letztlich kein Weg daran vorbei, dass wir bei der Konstruktion einer konventionellen Box Prioritäten setzen müssen. Wir müssen uns entscheiden, ob wir eine leise Box tolerieren, die aber bei relativ kleinem Gehäuse Tiefbass liefern kann oder ob es eine Box werden soll, die laut geht bei bescheidenen Abmessungen, dabei aber schwachen Bass liefert oder ob es ein Monster werden darf, das laut geht und Bass kann, aber aufgrund der geringen Auslenkung und der kleinen Membranfläche im Bass sehr schnell klirrt...

Wenn man beabsichtigt, eine Box zu entwerfen, so gibt es die Möglichkeit, einen Tieftöner für ein bestimmtes Gehäuse auszusuchen. Oder man hat einen Tieftöner, den man verbauen möchte, sucht nun das passende Gehäuse und berechnet die Grenzfrequenz. Oder man legt Parameter wie Kennschalldruck und/oder Gehäusevolumen und/oder Grenzfrequenz fest, dazu noch den maximalen Schalldruck, den man erreichen will und rechnet die nötigen Parameter aus, welche dann das Chassis aufweisen muss... In jedem Fall sollte man sich mal die Daten der in Frage kommenden Lautsprecher auflisten. Diese Liste kann man mit den Gehäusedaten ergänzen (für jedes Chassis simulieren) und hat so ein Hilfsmittel zur Hand, das bei einer Planung sehr hilfreich ist.
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