Lautsprecher

Studio-Lautsprecher

Manfred Zollner

Im Regieraum eines Tonstudios wird üblicherweise eine hochwertige Abhöranlage verwendet. Große Monitorlautsprecher, gern in die Wand vor dem Mischpult eingebaut, oder kleine Nahfeld­monitore, zumeist auf dem Mischpult platziert. Da mit diesen Lautsprechern die Qualität der Aufnahmen beurteilt und optimiert wird, erwartet man bei ihren Übertragungsparametern Best­werte. Es gibt allerdings physikalische Grenzen, die generell nicht überschritten werden können. So ist es beispielsweise unmöglich, einen kleinen Lautsprecher zu bauen, der tiefe Frequenzen mit hohem Wirkungsgrad abstrahlen kann. Auch die Richtcharakteristik ist ein sehr schwer zu optimierender Parameter, wenn hoher Wirkungsgrad gefordert wird. Und ein hoher Wirkungs­grad ist nötig, um hohe Schallpegel mit kleinen Verzerrungen abstrahlen zu können. Ein Über­blick über einige bekannte Studiolautsprecher zeigt, dass insbesondere beim Bündelungs­ver­halten Abstriche zu machen sind.

 

Lautsprecher sollen aus Strom Schall, also Luftbewegungen, erzeugen. Im Falle von Studio-Lautsprechern wird häufig eine „neutrale Übertragung“ gewünscht, d.h. ein frequenz­unab­hängiger Übertragungskoeffizient (angegeben in Pa/V). Die hierfür auch gebräuchliche Be­zeich­nung „lineare Übertragung“ ist missverständlich, denn Linearität ist in der Systemtheorie ganz anders definiert. Deshalb „frequenzunabhängige Übertragung“. Aber auch dieser Begriff ist nicht so ganz eindeutig, weil es mehrere Übertragungsfunktionen gibt. Eigentlich unend­lich viele, denn vor einer Membran lassen sich unendlich viele Orte definieren. Weil man mit unendlich vielen Kurven aber schlecht arbeiten kann, wurden zwei spezielle Situationen ge­normt: Die Messung „auf Achse“ im Reflexionsarmen Raum, gerne in 3 m Distanz (das ergibt das Frei­feldübertragungsmaß), und die Messung im Hallraum (Diffusfeldübertragungsmaß). Das FFM charakterisiert die spektrale Zusammensetzung des bei einem (auf Achse sitzenden) Zu­hörer ankommenden Direktschalls, das DFM ist ein Maß für die abgestrahlte Schall­leistung, und mittelbar auch ein Maß für den beim Zuhörer ankommenden Diffusschall. Der Unter­­schied zwischen den beiden Übertragungsmaßen heißt Bündelungsmaß d (englisch Directivity Index DI). Für eine rundum strahlende Box gilt DI = 0 dB, für die Abstrahlung in einem Halbraum DI = 3 dB. Je größer die Bündelung, desto größer der Directivity Index. Bei praktisch allen Lautsprechern nimmt die Bündelung zu hohen Frequenzen hin zu, und deshalb steigt über der Frequenz der Directivity Index an: Von fast 0 dB bei tiefen Frequenzen zu über 10 dB bei hohen.

Ein Lautsprecher mit frequenzunabhängigem Freifeldübertragungsmaß, dessen Bündelung zu hohen Frequenz hin zunimmt, muss deshalb bei hohen Frequenzen weniger Schallleistung ab­strah­len als bei tiefen. Gegenbeispiel: Wäre seine abgestrahlte Schallleistung für alle Frequen­zen dieselbe, und würde er zu hohen Frequenzen hin stärker bündeln, dann wäre wegen dieser stärkeren Bündelung (Fokussierung) auf Achse der hochfrequente Schallpegel größer als der tieffrequente. Daraus resultieren zwei verschiedene Philosophien zur Abstimmung: Häufig anzutreffen ist ein (einigermaßen) frequenzunabhängiges Freifeldübertragungsmaß, mit dem­ent­sprechend frequenzabhängigem Diffusfeldübertragungsmaß, es gibt aber auch Boxen mit frequenzunabhängigem GFM, und dementsprechend frequenzabhängigem FFM.

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Die Bass-Wiedergabe beim Studio-Monitor

Manfred Zollner

Um eine gute Basswiedergabe konkurrieren zwei Systeme: Die geschlossene Box, und die Bass­reflexbox, die wegen ihrer Ein- und Ausschwingverzerrungen („Ringing“) jedoch kritisch gese­hen wird. In der Tat erzeugen Bassreflexboxen stärkere Impulsverzerrungen, bieten im Bassbe­reich aber auch einen besseren Wirkungsgrad. Demgegenüber ist die Erweiterung des Bass­bereiches durch „Bassboostfilter“ eine Maßnahme, die zwar zu beachtlichen Datenblatt­angaben führen kann, die maximal mögliche Schallleistung aber in keiner Weise erhöht. Dies be­deutet nun nicht, dass Bassreflexboxen generell zu bevorzugen sind. Sie können gut sein, brau­chen hierzu aber Lautsprecher mit hohem Wirkungsgrad, d.h. mit starken, teuren Magneten. Im Folgenden werden 4 typische Bassreflexprinzipien näher untersucht und mit dem Verhalten einer geschlossenen Box verglichen.

„Ambitionierte“ Studio-Lautsprecher (bzw. -Monitore) können einen weiten Frequenz­bereich übertragen, z.B. 26 Hz – 22 kHz, ±3dB (KH 420). Für die Bassübertragung stehen i.W. zwei verschiedene Konstruktionen zur Verfügung: Die geschlossene Box, und die Bassreflexbox. Bei der Bassreflexbox ist der Innenraum über einen Tunnel mit der Umgebung verbunden, der zusammen mit der im Gehäuse befindlichen Luft als akustisches Filter wirkt und tiefe Fre­quenzen abstrahlt. Eigentlich eine gute Sache, doch nicht uneingeschränkt: „The port causes any spectral energy at its resonant frequency to ring on for a short time“ [2]. Der Tunnel (Port) sorgt nach dieser Einschätzung für „Ringing“, also Nachschwingen. Gibt man einen kurzen Impuls auf den Lautsprecher, kommt die Luft im Tunnel in Bewegung, aber sie wird nicht schnell genug wieder abgebremst, sodass dieses Nachschwingen die präzise Schall­wahrnehmung stört. Meint Mike Senior, und untermauert diese Behauptung mit Wasserfall-Spektren (Abb. 1). Diese Bilder zeigen, wie über der (von hinten nach vorne fortschreitenden) Zeit das Schallspektrum eines ganz kurzen Impulses „zerfällt“, d.h. abnimmt. Und ja, man sieht deutlich, dass beim ATC-SCM20A-Lautsprecher die Schallenergie im Bassbereich schnel­ler abnimmt als bei den anderen. Die ATC-Box ist bei diesem Vergleich die einzige geschlos­sene Box, alle anderen sind Bassreflexboxen. Die daraus von Mike Senior abgeleitete Em­pfehlung: Zumindest bei „affordable nearfield monitors“ nicht zum Bassreflexprinzip zu greifen, son­dern zur geschlossenen Box. Erst für deutlich mehr als 1500.- $ pro Paar könne man brauch­bare Bassreflex-Monitore bekommen. Meint Mike Senior.

Nun ist dieser Mike Senior kein Kunsthistoriker, der monatlich in Gitarren- (und Bass-) -Zeit­schrif­ten peinlichen Unsinn verzapft, nein, er ist Cambridge-Absolvent mit jahrelanger Lon­doner Studioerfahrung. Das alleine wäre zwar noch keine Garantie, doch sein Mixing-Secrets-Book macht keinen schlechten Eindruck, da ist schon Fachkompetenz vorhanden. Also auf den Bassgewinn einer Bassreflexöffnung verzichten (bis zu 10 dB), und des schnelle­ren Aus­schwin­gens wegen eine geschlossene Box kaufen? Weil die Zerfalls-Spektren schöner aus­sehen? Können unsere Ohren sehen? Bei dem oben erwähnten Kunsthistoriker vielleicht, beim Durchschnitts-Musiker eher nicht. Vom visuellen Eindruck darf nicht auf den auditiven geschlossen werden, das lernt man in der ersten Stunde der Psychoakustik-Vorlesung. Wie relevant diese Effekte fürs Gehör sind, soll eine grundsätzliche Analyse verdeutlichen.

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Vom Sinn und Unsinn der CSD-Wasserfälle

Manfred Zollner

Lautsprecher strahlen Schalle unterschiedlicher Frequenzen mit unterschiedlichen Pegeln in unter­schied­liche Richtungen ab; ihre messtechnische Beschreibung erfordert deshalb einen großen Auf­wand. An erster Stelle der publizierten Daten steht zumeist der Betragsfrequenzgang, gefolgt von Belastbarkeit und Richtcharakteristik. Diese Daten werden mit Dauertönen ermittelt, Sprache und Musik bestehen aber nicht – jedenfalls nicht vordergründig – aus Dauertönen. Ergänzend findet man bei Herstellerdaten und Testberichten deswegen auch Wasserfalldiagramme, die in Abhängig­keit von Frequenz und Zeit das Ausschwingen der Membranen darstellen sollen. Die Aussagekraft dieser Bilder ist jedoch problematisch, weil die darin offenbarte Information sehr stark von den Analyseparametern abhängt, und weil in der Regel kein Bezug zum Höreindruck erkennbar ist.

 

Gerne geübte Praxis bei der Bewertung von Lautsprechern ist die Erstellung und Auswertung sogenannter Zerfalls-Spektrogramme (CSD = Cumulative Spectral Decay), auch Wasserfall-Spektrogramme ge­nannt. Hierbei wird ein Lautsprecher mit einem Impuls angeregt. Von dem (in z.B. 1 m Abstand) erzeugten Schalldruck erstellt man Spektren – in Abhängigkeit von der Zeit. Klingen diese Spektren nach dem Impuls schnell ab, ist der Lautsprecher gut, klingen sie lang­sam ab, erzeugt der Lautsprecher „Impulsverzerrungen“. Wie sinnvoll diese Bewertung ist, sollen die folgenden Überlegungen aufzeigen.

Abb. 1 zeigt beispielhaft zwei CSDs. Die Frequenz läuft im Bild, logarithmisch geteilt, von links nach rechts, die Zeit von hinten nach vorne, von unten nach oben ist der Schalldruck­pegel aufge­tragen. Die Impulsanregung erfolgt zum Zeitpunkt null, also ganz hinten. Nach vorne hin, d.h. mit wachsender Zeit, erkennt man das unterschiedlich schnelle Abklingen der einzelnen Resonanzschwingungen. Die Auswertung scheint einfach zu sein, ist es aber nicht. Die Schwierigkeiten beginnen damit, dass zu einem Zeitpunkt kein sinnvolles Spektrum be­stimmt werden kann – Spektren können immer nur über einen Zeitausschnitt ermittelt wer­den. Je kürzer dieser Ausschnitt, desto gröber ist die Frequenzauflösung. Im ersten Ansatz sind Zeit- und Frequenzauflösung zueinander reziprok: Dt = 1/Df. Für 10 Hz Frequenzauf­lö­sung müsste der Zeitausschnitt 100 ms lang sein – wäre in diesen Bildern schon schwierig!

Abb.1Abb.2

 Abb. 1: Zerfalls-Spektren (CSD) zweier Lautsprecher [https://www.hifi-selbstbau.de].

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Kurzzeit-Spektroskopie

Manfred Zollner

Soll das Verhalten eines Systems sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich dargestellt werden, bieten Spektrogramme ein übersichtliches Bild. Über der Zeit/Frequenz-Ebene wird der Pegel ent­weder farbig codiert dargestellt (Farb-Spektrogramm), oder quasi-dreidimensional als Wasserfall-Spektrogramm. Beiden Darstellungen ist gemein, dass Zeit- und Frequenzauflösung nicht gleich­zeitig optimiert werden können. Sie sind zueinander reziprok: Verkürzung der zeit­lichen Un­schärfe vergrößert die spektrale Unschärfe. Zu diesem manchmal sehr störenden Artefakt kom­men weitere, wenn das Ergebnis der Spektralanalyse über einer logarithmischen Frequenz­achse dar­ge­stellt werden soll. Die folgende Abhandlung demonstriert diese Artefakte mit vielen Bil­dern, unter Verzicht auf ihre mathematische Herleitung (diese ist z.B. in [1] zu finden).

Die angewandte Spektralanalyse ist immer eine Kurzzeit-Spektroskopie. Mögen die Grenzen des Fourier- oder Faltungsintegrals auch gegen unendlich gehen, in der Praxis ist sowohl der Zeit- als auch der Frequenzbereich endlich. Die Konsequenzen sind dramatisch, und ver­mut­lich nicht jedem Anwender bewusst. Im einfachen Fall soll von einem Signal ein Spektrum er­stellt werden, der komplizierte Fall ist das Spektrogramm: die Darstellung des Spektrums über der Zeit. Die Untersuchungsobjekte lassen sich in zwei Gruppe teilen: Die Generatoren, und die Übertragungssysteme. Als Beispiel für einen Generator dieser Art möge ein Automo­tor dienen: bei ihm soll das Spektrogramm verdeutlichen, in welchem Zeit- und Frequenz­bereich die einzelnen Zündvorgänge auftreten. Ein Beispiel für ein Übertragungssystem ist der Lautsprecher. Im Unterschied zu den o.a. Generatoren sind hier beliebig viele Anregungs­signale möglich, auf die das Untersuchungsobjekt „antwortet“. Eine Aufgabenstellung hierzu könnte z.B. sein, das Ein- und Ausschwingen der Lautsprechermembran nach einer Impuls­anregung darzustellen – zeitlich und spektral.

Zum Verständnis der bei jeder Spektroskopie auftretenden Artefakte helfen Modelle. Sie ver­deut­lichen die Signalzusammenhänge, unabhängig von deren tatsächlichen Berechnung. Man kann sich ein Spektrogramm modellmäßig als Summe zeitversetzter Spektren vorstellen, oder als Summe frequenzversetzter Zeitfunktionen. Die erste Variante kann z.B. mit einer glei­ten­den DFT-Analyse (moving STFT) realisiert werden, die zweite mit den Ausgangs­span­nun­gen einer Filterbank. STFT steht für Short Term Fourier Transform (manchmal auch Short Time Fourier Transform). Eine Filterbank ist ein Satz schmalbandiger Bandfilter, deren

Abb.1

Abb. 1: Wasserfall-Spektrogramm; links zeitversetzte Spektren, rechts frequenzversetzte Slices.

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Gitarren-Lautsprecher

Manfred Zollner

Gitarren-Lautsprecher müssen vor allem eins sein: laut. Während man bei Studio- und HiFi-Laut­sprechern Resonanzen durch Absorber abdämpft, gilt für viele Gitarrenboxen das Gegenteil. Ihre Übertragungskurve weist viele Maxima und Minima auf, und genau das erzeugt den gewünsch­ten Sound. Dass man sowohl mit Alnico- als auch mit Keramikmagneten eine hervorragende Wieder­gabequalität erreichen kann, hat sich herumgesprochen, die Gewichtsunterschiede werden toleriert. Dass das Gehäusematerial (die Holzart) bei üblichem Aufbau nichts zum Klang beiträgt, ist jedoch weniger bekannt.

 

Lautsprecher sollen aus Strom Schall, also Luftbewegungen, erzeugen. Im Falle von Studio-Lautsprechern möglichst kontrolliert, bei Gitarrenlautsprechern eher nicht. Beim Studio­moni­tor muss der (in Pa/V angegebene) Übertragungskoeffizient möglichst frequenzunabhängig sein, beim Gitarren-Lautsprecher treten starke Frequenzabhängigkeiten auf. Doch genau die müssen sein, damit der gewünschte Sound entstehen kann. Einen wesentlichen Anteil am Sound hat (neben dem Lautsprecher-Chassis) das Lautsprecher-Gehäuse. Doch nicht seine Holzart ist wichtig, seine Abmessungen sind klangbestimmend. Die Holzart ist unwichtig, solange die Wände nur ausreichend dick sind. Ob Birke, MDF oder Spanplatte mag Aussehen oder Gewicht beeinflussen, für den Klang spielt es keine Rolle. Länge / Breite / Höhe sind hin­gegen für die im Gehäuseinneren „stehenden“ Wellen frequenzbestimmend. Zwar schwin­gen außer der Lautsprechermembran auch die Gehäusewände, ihre Schwingungsamplitude ist aber gegenüber der Membranschwingung so gering, dass sie zum Klang praktisch nichts bei­tragen. Die folgende Abbildung zeigt SPL-Messungen, die mit eingeprägter Spannung (2.8 V) 1 m vor dem Gehäuse im Reflexionsarmen Raum erstellt wurden. Die Unterschiede sind so gering, dass sie mit dem Gehör nicht wahrgenommen werden können.

Lautsprecher_Abb01

Abb. 1: SPL-Messung: Maßgleiche Kiefergehäuse (schwarz), Pappelgehäuse (rot), MDF-Gehäuse (blau).

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Lautsprecherkabel

Manfred Zollner

Die Verbindungsleitung zwischen Gitarrenverstärker und Lautsprecher, das Lautsprecherkabel, muss die Verstärkerleistung möglichst vollständig zum Lautsprecher transportieren. Die Werbung suggeriert, dass hierfür nur besondere Kabel in Frage kommen, z.B. geflochtene (‚verseilte‘) Leitungen, oder Litzen aus sauerstoffarmen Kupfer. Die Leitungstheorie, aber auch Messungen und Hörversuche bestätigen dies nicht – als Lautsprecherkabel ist aus Sicht der Elektrotechnik jede Zweidrahtleitung geeignet, deren Querschnittsfläche mindestens 2 x 0,75 mm2 beträgt.

 

Wenn das Verbindungskabel zwischen Gitarrenverstärker und Lautsprecher nur wenige Meter lang ist, kann jedes Kabel mit ausreichend dicken Leitern verwendet werden. Ausreichend ist eine Leiter-Querschnittsfläche von 0.75 mm2, über alle Zweifel erhaben sind 1.5 mm2. Normales Leitungskupfer ist perfekt geeignet, sauerstoffarmes Spezialkupfer oder gar Silber ist nicht erforderlich. Ob von 50 W Verstärkerleistung am Lautsprecher nun 49.4 W oder 49.5 W ankommen, ist völlig unerheblich, und auch etwaige Klangänderungen sind mit ΔL < 0.05 dB sicher völlig unhörbar. Ungeeignet sind hingegen übliche Gitarren-Kabel, da ihr Innenleiter in aller Regel zu dünn ist. Die nachfolgende Tabelle spezifiziert für 2 m lange Lautsprecherkabel den prozentualen Leistungsverlust bei 8- und 16-Ω-Lastwiderstand:

Lastwiderstand 8 Ω:

Kabel Cu Cu! Ag Al
2×0.75 mm2 2,33 % 2,24 % 2,10 % 3,76 %
2×1.5 mm2 1,18 % 1,13 % 1,06 % 1,91 %
2×2.5 mm2 0,71 % 0,68 % 0,64 % 1,15 %
2×4.0 mm2 0,44 % 0,43 % 0,40 % 0,72 %

Lastwiderstand 16 Ω:

Kabel Cu Cu! Ag Al
2×0.75 mm2 1,18 % 1,13 % 1,06 % 1,91 %
2×1.5 mm2 0,59 % 0,57 % 0,53 % 0,96 %
2×2.5 mm2 0,36 % 0,34 % 0,32 % 0,58 %
2×4.0 mm2 0,22 % 0,21 % 0,20 % 0,36 %

Cu = übliches Kabel-Kupfer, Cu! = hochreines Kupfer, Ag = Silber, Al = Aluminium.
Für die Berechnung wurde eine ideale Spannungsquelle (Ri = 0) angenommen; bei einem Röhrenverstärker sind die Verluste noch viel geringer (höherer Innenwiderstand).

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