Technik ist kein Geheimnis, sondern die Umsetzung physikalischer Erkenntnisse und das Experiment zur Prüfung des physikalischen Modells in der Realität
Einführung:
hier will ich eine
Übersicht über die Konstruktionskriterien von Lautsprechern im Allgemeinen
geben, um die akustischen und elektrischen Zusammenhänge, die ein Klangbild
erzeugen und beeinflussen, zusammen gefasst und vereinfacht dar zu stellen.
Passive
Lautsprecher mit Treibern für unterschiedliche Frequenzbereiche des hörbaren
Schalls bestehen im Wesentlichen aus drei Baugruppen:
1. dem Gehäuse
2. den Treibern
3. den elektrischen Filtern - also der Frequenzweiche
Diese Baugruppen
gilt es auf einander abzustimmen und so eine Harmonie – oder anders ausgedrückt
– eine Homogenität im Klangbild zu schaffen.
das Gehäuse muss in fünf Disziplinen optimiert werden
1. der Treiber Anordnung
2. der Schallbeugung an den Gehäusekanten, auch als
Schallwanddesign bekannt
3. der Schalldämmung der Gehäuse Hülle
4. der Resonanzarmut im Innern der Gehäuse
5.
Die Verteilung der
Treiber im Raum ist im Kontext der Frequenz-Filter der Frequenzweiche und dem
Beugungsverhalten der Gehäuse Oberfläche so zu designen, dass eine best mögliche
Rundstrahl-Charakteristik erzeugt wird, die eine für das menschliche Hören –
also der auditiven Signalverarbeitung des Gehirns entsprechende – als natürlich
wahrgenommenes Klangbild erscheint. Hierbei ist das zeitliche Verhalten der
elektrischen Filter mit zu berücksichtigen, das auch zu einem Tiefenversatz von
Treibern führen kann.
In diesem Kontext ist auch die Fläche und Filtereigenschaften (Trennfrequenzen
und Flankensteilheit) der Treiber von entscheidender Bedeutung, da dies direkt
Auswirkung auf das diffuse Schallfeld im Hörraum hat und so die klangliche
Einbettung des Dargebotenen, wie auch die akustische Qualität an ungünstigen
Hörpositionen prägt.
Direkt verbunden mit
dieser Aufgabenstellung ist die Thematik der Schallbeugung an Kanten des
Gehäuses. Für den Einbau von Lautsprechern in Wände oder Decken ist es
grundsätzlich möglich, dieses Thema zu vernachlässigen, jedoch sobald ein
Lautsprecher frei im Raum steht, gibt es konstruktiv bedingte geometrisch
begrenzte Flächen, an deren Rändern der Schall gebeugt wird und so das
gleichmäßige Rundstrahlverhalten frequenzabhängig verformt. Besondere Auswirkung hat das
Beugungsverhalten in Bezug zum Hochtöner, da geringe Änderungen der Geometrie
das Hochtonklangbild, also beispielsweise die Wiedergabe der menschlichen Stimme, deutlich
beeinflusst.
Die Schalldämmung
des Lautsprecher Gehäuses ist für die klare Wiedergabe von entscheidender
Bedeutung. Bei dünnwandigen Gehäusewänden schwingt das Gehäuse, wie ein besonders
schlecht gefertigter Resonanzkasten eines Instrumentes mit und liefert so
Zusatzgeräusche und Obertöne (Klirr), die der Treiber nicht spielt. Hier spricht
man auch vom Dröhnen eines Gehäuses, wenn das Verhältnis von Dünnwandigkeit und
hohen Schallpegeln extrem ausfällt.
Ein Gehäuse muss
daher sehr Schalldicht sein, damit der Lautsprecher auch sehr gut klingt.
Hierfür ist schweres Tropenholz, das perfekte Steifigkeit und hohe
Masse/Rohdichte mitbringt, eine sehr gute Grundlage.
An dieser Stelle sei
der Mythos, dass beim Klopfen gegen ein Gehäuse ein dumpfer Ton ein
Qualitätssiegel sei, widerlegt. Es gibt zum Einen die Variante, ein normal
gefertigtes Gehäuse, beispielsweise aus 19mm MDF durch Anti-Dröhnmatten, wie sie
für die Lüftungskanalentdröhnung hergestellt werden (und auch für den Hifi-Markt
als etwas Besonderes angeboten werden), zu entdrönen und so ein Gehäuse mit
dumpfem Ton zu erhalten, der auch bei einem wenig ausgesteiften Gehäuse aus eher
weichem Material genauso auftritt, aber auch die Variante durch besonders steife
und schwere Materialien nicht nur wie Hartholz, sondern auch aus Kunststein oder
echtem Stein, Gehäuse optimal Schalldämmend herzustellen, die ein sehr hellen
Ton beim Klopfen aufweisen. Daher ist das Gewicht eines Lautsprechers
aussagekräftiger, als das Klopfgeräusch des Gehäuses.
In dem Gewicht und der
Steifigkeit liegt der Vorteil von Massivholz, da das massive Holz durch seine
Feuchte bedingte Längenänderung hohe Spannung auf die Gehäusebauteile bringt. So
führen die Spannungen der Gehäusebauteile dazu, dass sich die Biegewelleneigenschaften
der Gehäusewände günstig ändern (und das Klopfgeräusch noch heller -
hochfrequenter wird).
Das Thema der
Resonanzen im Innern eines Lautsprecher-Gehäuses ist sehr anspruchsvoll, da die
Gehäuse nicht einfach bedämpft werden können, ohne dass dies gravierende
Auswirkungen auf die Spielweise der Treiber hat.
Zum einen besteht die Möglichkeit, den Port besonders groß auszulegen, um eine
besonders hohe Präzision im Bass zu erhalten, mit dem Nachteil, dass
gleichzeitig Störungen im Oberbass und Mittelton aus dem System ebenfalls
besonders deutlich abgestrahlt werden. Als weitere Variante gibt es die
Möglichkeit, das System durch ein besonders kleinen und kurzen Port sehr stark
zum Schwingen zu bringen, dass der Bass auch in toten Räumen oder bei gedämpften
Treibern noch spielt, jedoch mit dem Defizit, dass der Bass an Präzision
verliert, dafür jedoch Störungen in höheren Frequenzbereichen nahezu
vernachlässigt werden können. Ganz anders ist da die Variante durch
Passivmembranen eine "hohe" bewegte Masse in den Port einzubauen. Vorteile
bringt diese Bauweise nur im kompakten Sub-Bass. Hier besteht jedoch die
Grundsatzproblematik des nicht linearen Verhaltens, sodass solche Systeme leise
Signale eher nicht und laute dafür mit viel "Dröhnung" wiedergeben.
Andere Gehäusevarianten sind zum einen die Transmissionslinie, ein Wellenleiter,
der wie eine Orgelpfeife zum Spielen tiefster Töne angeregt wird und mit seinen
Obertönen die Konstrukteure fordert. Eine weiter Variante sind Basshörner, die
entsprechend einer Trompete zur Pegelsteigerung vor/hinter den Treiber
angeordnet werden und mit gigantischen geometrischen Ausmaßen für Eindruck beim
Betrachter sorgen. Auch Konstruktionen mit innen liegendem Tieftöner, als auch
Konstruktionen mit mehreren Kammern sind Varianten, um den Wirkungsgrad und das
Spielverhalten, sowie die Pegelfestigkeit von Lautsprechern im Bass zu
optimieren.
Die Treiber werden
häufig sehr individuell gefertigt und es werden Unmengen unterschiedliche
angeboten. Diese Vielfalt fasse ich eher als Hilflosigkeit auf, da jeder
irgendwie versucht, etwas Besonderes zu fertigen, ohne dass es wirklich eine
große Auswahl hochwertig spielender Treiber gibt. Grundsätzlich gibt es
Auswahlkriterien, die sehr schnell sehr viele Treiber aussortieren.
1.
Frequenzganglinearität,
2. Verzerrungsarmut / Pegelfestigkeit
3. Minimierung nicht linearem Verhalten
4. großer nutzbarer Frequenzbereich
Die
Frequenzganglinearität meint, dass der Treiber wenig Wellen, Stufen oder andere
Artefakte aufweist. Wenn ein Treiber ziemlich nah am physikalischen Verhalten
nach Tiele und Smal spielt, also der durch die Tiele und Smal Parameter
bestimmten Frequenzgang ziemlich gut mit dem realen Frequenzgang übereinstimmt,
dann ist es auch wahrscheinlich, dass der Treiber ein ideales zeitliches
Verhalten aufweist, dass Resonanzen in der Lautsprecherkonstruktion vermieden
wurden und dass der Treiber auch nicht gegen interne frequenzabhängige Federn –
wie ein Luftpolster – spielt. Ob der Treiber am Ende mit einem steigenden oder
abfallenden Frequenzgang designt wurde, hat auf dieses Thema keinen relevanten
Einfluss.
Verzerrungsarmut ist
ein Thema für HighEnd Anwendungen. Für das Maß an Klirr/Verzerrungen gibt es genormte Grenzwerte, welche
Verzerrungen noch gehört werden können. Bei der Frage der
Klangfarbe und der authentischen Wahrnehmung im Vergleich zur Realität ist es problemlos möglich, auch 20 dB
geringere Verzerrungen unter der normativen Hörgrenze (der Verzerrungen) wahr zu nehmen. Hierbei gibt es zweifelsfrei
frequenzabhängige Empfindlichkeiten des Menschlichen Gehörs entsprechend der
Hörkurven. Somit bleiben auch bei sehr hohem Qualitätsanspruch Verzerrungen im
Bassbereich in einem höheren Maß tolerabel, als im Mittel-Hochtonbereich.
Die Verzerrungsarmut ist auch wichtig bei der Bewertung der Pegelfestigkeit, da
hohe Pegelspitzen/Impulse, wie sie durch Schlagwerke (Perkussion Instrumente)
erzeugt werden, auch durch den Lautsprecher präzise wiedergegeben werden müssen.
Nicht lineares
Verhalten ist ein Thema, das regelmäßig scheinbar gute Treiber disqualifiziert.
Typisch für nicht lineares Verhalten sind unter anderem die mechanischen
Eigenschaften von Gummisicken. Hierbei ist die elastische Verformung von Gummi,
wie auch dessen Dämpfung bezogen auf die Amplitude nicht linear. Praktisch kann
man Messreihen der Tiele und Smal Parameter für die Nutz-Lautstärke – also dem
angestrebten Dynamikbereich durchführen und feststellen, dass diese doch
signifikant sich ändern. Das hat zur Folge, dass die Dynamik des elektrischen
Signals nicht mit der Dynamik des akustischen Signals übereinstimmt. Für die
grobe Dynamik hat das kaum wahrnehmbare Auswirkungen, für die Detailabbildung
der Musik ist das ein relevanter Faktor. Ungünstig aber nicht vermeidbar ist,
dass zu dem Spielverhalten der Treiber im Freien, das Dämpfungsverhalten in den
Gehäusen zu zusätzlichem nicht linearem Verhalten beiträgt. Hier ist
verständlicherweise die konstruktive Zielsetzung, dass das Verhalten der Gehäuse
gezielt invers sich zum Verhalten der
Treiber verhalten soll, um so näherungsweise wieder eine hohe Linearität bezogen auf
das Impulsverhalten zu erhalten.
Der Nutzbare
Frequenzbereich ist ein eher einfaches Thema, hier geht es grundsätzlich um die
Fragestellung, in welchem Frequenzbereich werden die Kriterien der
Frequenzganglinearität erfüllt. Das bedingt eine hohe Perfektion der Membrane,
da diese maßgeblich die oberen Grenzfrequenzen – also den Nutzbereich zum
Hochton hin – begrenzen. Zu tiefen Frequenzen ist im Wesentlichen der Klirr
(Verzerrungen) die begrenzende Größe, die anders ausgedrückt die Pegelfestigkeit
des Treibers begrenzt.
Es gibt nun bei
Treibern die subjektiv begründeten Auswahlkriterien, dass ein Pappe Membran
besser als ein Metall- oder Keramikmembran klingt. Praktisch ist das eine Frage
der Verzerrungen bei gleichzeitigem „natürlichem“ also sehr feindynamischem
Spielvermögen. Zum Einen gibt es Treiber, die sehr „lebendig“ spielen und bei
denen die Obertöne (Verzerrungen) das Klangbild prägen, zum Andern ist der Trend
zu eher bedämpft spielenden Treibern erkennbar, hierbei ist ein Klang des
Membranmaterials auf Grund fehlender Obertöne nicht hörbar. Letztere sind jedoch
wenig geeignet, wenn es darum geht, authentische Musikreproduktion anzustreben.
Daher ist es unumgänglich, den „Klang“ der Treiber sich anzuhören und geeignete
Typen für die Lautsprecher auszuwählen. Hierfür hat sich für mich noch kein
Auswahlkriterium/Messgrößen oder ähnliches als nützlich erwiesen.
Die Frequenzweiche
ist von Mythen umzingelt, wie sonst nichts in den Lautsprechern. Es gibt die
unterschiedlichsten Zielsetzungen zum Design von Frequenzweichen, zum einen sehr
steile Filter, zum andern sehr flache Filter, besonders wenige Bauteile, wie
auch die Korrektur von allem möglichen – wie beispielsweise dem perfekten
linearen Frequenzgang auf Achse – alles mit der Zielsetzung, den ultimativen
Klang zu erzeugen.
Hierbei steht außer
Frage, dass Bauteile der Frequenzweichen sich nicht ideal verhalten. Diese
Abweichungen zum physikalisch idealen Verhalten wird für alle möglichen Effekte
genutzt. Als Beispiel sei die Bandspule aufgeführt. Eine einlagig gewickelte
Spule aus dünnem Kupferblech. Das elektrische Verhalten dieser Spule führt zur Minderung feiner Details,
das hat zur Folge, dass ein detailreich, jedoch auch Klirr reich spielender
Treiber matschiger Spielt und so die Verzerrungen – auch als Härte beschreibbar
– nicht mehr als solche deutlich wahrgenommen wird. Damit kann gezielt Fehlern
von Zuspielern wie auch Treibern entgegen gewirkt werden. Oder anders
ausgedrückt: Damit man von der Präzision der HighEnd Geräte nicht so genervt
wird, braucht man Bauteile, die das Klangbild abrunden, vergleichbar mit der
Kantenglättungsfunktion eines Bildschirmes.
Selbiges gilt auch für Kondensatoren, auch bei diesen Bauteilen ist das nicht
lineare Verhalten messbar und akustisch hörbar. Besonders verlustarme
Kondensatoren tragen ebenfalls zur Feindynamik bei, ermöglichen jedoch nur bei
sehr ausgereiften Lautsprechern das gewünschte Ziel der natürlichen Wiedergabe.
Ein bisschen zu viel Details und das Klangbild wird nur noch als „hart“ und
„anstrengend“ wahrgenommen.
Als
Optimierungsgrößen zur natürlichen und detailreichen sowie verzerrungsarmen
Musikwidergabe ist zum einen ein relativ linearer Frequenzgang anzustreben, um
Maskierungseffekte, die Details überblenden, entgegen zu wirken, eine
Perfektion der akustischen Phase im Hochton für die natürliche akustische
Bühnenabbildung anzustreben, sowie die geometrische Anordnung der Spulen im
Lautsprecher zur Minimierung von ungewünschten Induktionen zu perfektionieren.
Dieser Anforderungskatalog führt zu komplexen und eher teuren Frequenzweichen,
deren Bauteile an mehreren Orten in den Lautsprechergehäusen verteilt werden
müssen, um dem Ziel der authentischen Reproduktion nahe zu kommen.
Nachteilig haben
sich bei der Weichenoptimierung beispielsweise Kernspulen erwiesen, da bei hoher
Abbildungsqualität die Auswirkungen der Hysterese immer zu hören waren. Auch
Wechselwirkungen mit Verstärkern, wie sie bei Weichen dritter Ordnung normal
sind, haben einen erhöhten Klirr zur Folge, sodass hierfür die Impedanz des
Lautsprechers bezogen auf den Zuspieler zu optimieren ist. Diese Faktoren führen
zu der Erkenntnis, dass wenige Bauteile genauso wenig eine relevante Zielsetzung
sein kann, wie das dichte Anordnen von Spule auf einer Platine zur Auskorrektur
des Frequenzgangs.
Die hier
aufgeführten Aspekte sind unverzichtbare Designmerkmale eines Lautsprechers,
jedoch nicht ausreichend, um eine ausgewogene Präsenz des dargebotenem im
gesamten Frequenzspektrum zu erhalten. Die Präsenz von Frequenzbändern eines
Lautsprechers ist ein ausgesprochen subjektiv geprägter Beschreibungsversuch,
dass Lautsprecher scheinbar gleicher Güte unterschiedliche Details der selben
Musik wiedergeben. Es geht bei der Präsenz um die Beschreibung der Authentizität
des Dargebotenen in den unterschiedlichen Tonlagen.
Hierbei ist auch der Energiefrequenzgang des Lautsprechers, der das diffuse
Schallfeld im Hörraum und so den Hintergrundgeräuschpegel bildet, ein
wesentliches Kriterium. Jedoch ist ein gleichmäßiger Energiefrequenzgang (der in
Verbindung mit einem linearen Frequenzgang auf Achse zu einer gleichmäßig
ansteigenden Bündelung führt) kein Garant für detailreiche Musikreproduktion, da
der Ursprung des Musikmaterials auch nicht unter perfekten Bedingungen
entstanden ist.
Eine der Fehlerquellen sind die Abmischmonitore, an denen das dargebotene
Material abgemischt wurde. Studiomonitore sind keine perfekten Lautsprecher,
sondern weisen wie die Abmischräume auch, Defizite auf, die bei der Analyse der
Musikwiedergabe wieder zu finden sind.
Daher ist auch jeder Lautsprecher auf´s neue lediglich ein Versuch, eine gute
Wiedergabemöglichkeit anzubieten, jedoch niemals ein universal einsetzbares
Ideal von Lautsprecher, der für alle
Aufnahmen eine perfekte Wiedergabe leisten kann.
Über diese Themen hinaus gibt es weitere Themengebiete, wie die Basswiedergabe von Lautsprechern. Auch die Fragestellung zur Wechselwirkung zwischen Raum und Lautsprecher ist ein eigenes Thema. Einige Themen sind auch im Buch und Vortrag von Floyd Toole - Sound reproduction – art and science/opinions and facts aufgeführt, den ich immer gern verlinke.