The Swing-in

Hochtöner

Beim Hochtöner, am oberen Übertragungsende, ist insbesondere die Resonanzfrequenz der Membran ausschlaggebend. Bei vielen Hochtönern verläuft der Frequenzgang nur deshalb bis 20 kHz, weil Tiefpass und Membranresonanz derart abgestimmt worden sind, dass sich daraus ein nahezu linearer Verlauf ergibt. Zu erkennen ist das ein einem steilen Abfall oberhalb der Resonanzfrequenz, also am Ende des im Frequenzgang sichtbaren Übertragungsbereichs. Das Signal- / Zeitverhalten sieht dabei allerdings meist schon ab 5 bis 10 kHz schlecht aus. Die Einschwingvorgänge (1. Halbwelle) erfolgen nicht mit der Anregungsfrequenz, beinhalten regelmäßig tiefere Frequenzen und die Amplitude liegt deutlich unter dem Wert im eingeschwungenen Zustand. Klanglich bedeutet das, dass die Hochtonimpulse zu leise und in der Tonhöhe zu tief sind. Der Frequenzgang gaukelt uns aber etwas ganz anderes vor!

Tieftöner Im Tiefbassbereich bewegen wir uns im physikalischen Grenzbereich der in ihren geometrischen Dimensionen begrenzten Wandler und der zur Vermeidung akustischer Kurzschlüsse notwendigen Gehäuse. Tiefe Frequenzen sind langsame Schwingungen. Ein Tieftöner muss dabei Druck bei einer sich mit ca. 345 m/s entfernenden Schallwelle erzeugen. Dabei ist die Membran im Verhältnis zur Wellenlänge klein. Das erfordert eine extrem weite Auslenkung zur originalgetreuen Reproduktion gerade der ersten Halbwelle, wie z.B. bei dem Anschlagen einer Bassdrum. Dafür ist selbst der Hub von Langhubchassis völlig unzureichend. Das Bassverhalten wird elementar bestimmt durch den Strahlungswiderstand und den Resonanzfall des schwingenden Systems. Beide Aspekte wirken zusammen und beinhalten Zeitkonstanten, haben also einen zeitlichen Verlauf. Frequenzgangmessungen zeigen nur die Schallamplitudenwerte des eingetretenen Resonanzfalls. Diese werden aufgrund der Zeitkonstante jedoch erst verzögert erreicht. Zuvor, im Einschwingen, verhält sich ein Lautsprecher gemäß dem Strahlungswiderstandsverlauf, resultierend aus Membranfläche und Membranschnelle (Frequenz). Hinzu kommen die Nichtlinearitäten des Antriebs. Der Amplitudenfrequenzgang am unteren Übertragungsende ist gekennzeichnet durch den zeitlichen Übergang des durch den Strahlungswiderstand bedingten Hochpasses in den durch Strahlungswiderstand und Resonanz bedingten Hochpass. Die Hochpassfunktion eines Lautsprechers ist wesentlich eine Überlagerung von drei Funktionen: der Funktion des Strahlungswiderstands der Funktion des mechanischen schwingenden Systems (Resonanzfrequenz) der elektrischen Funktion (BxL + Schwingspuleninduktivität und ohmscher Widerstand) Alle Funktionen haben eine Zeitkonstante. Das Einschwingen eines Lautsprechers unterliegt mehrerer komplexer Zeitkonstanten. Wer einen bestimmten Anspruch an das Übertragungsverhalten im Tieftonbereich stellt, muss also genau definieren, was er damit meint. Eine Bassdrum richtig wiederzugeben, erfordert einen gigantisch großen Basslautsprecher mit entsprechenden Gehäusebedingungen. Im Resonanzfall lässt sich der erforderliche Frequenzbereich zwar durch die üblichen Formate erzeugen, sogar Miniboxen könnte man dazu bringen, aber im Einschwingen, dem markantesten und lautesten Moment einer Bassdrum, haben kleine Lautsprecher keine Chance!

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Datei:Lautsprecher-purus-11-by-michael-weidlich.jpg Myro Purus 1.1

Aufgrund des Hochpassverhaltens schwingen Tieftöner mit einer zu schwachen ersten Halbwelle ein. Die erste Halbwelle weist zudem ein Frequenzspektrum auf, dessen tiefste äquivalente Frequenz höher ist als das Anregungssignal. Die erste Halbwelle weist einen verfrühten Nulldurchgang auf, der auch die voreilende Phase im Phasenfrequenzgang erklärt. Das bedeutet, Basslautsprecher werden zu Beginn eines Schallereignisses zu tiefen Tönen hin immer schwächer und schwingen erst bei der zweiten Halbwelle auf den Pegel ein, den wir im Amplitudenfrequenzgang-Diagramm sehen können. Die übliche Frequenzgangmessung täuscht uns Schalldruck vor, der im Einschwingen noch gar nicht vorhanden ist. Bei allen Gehäuseabstimmungen, die sich zur Verstärkung des Bass-Schalldrucks eines Resonanzsystems bedienen (Bassreflex, Transmissionline etc.), ist diese Täuschung noch viel größer! Ein Resonanzsystem braucht mehrere Halbwellen um einzuschwingen und zusätzlichen Schalldruck zu addieren. Die ersten Halbwellen sind allerdings nicht stärker als beim geschlossenen Gehäuse, denn hier wirkt das Resonanzverhalten noch nicht. Schauen wir uns das Einschwingverhalten von Instrumenten und Geräuschen an: Bei natürlichen Schallereignissen sind die ersten Halbwellen in der Regel die lautesten. Die nachfolgenden Halbwellen werden mehr oder weniger schnell leiser. Somit haben wir bei den Lautsprechern ein unnatürliches, entgegengesetztes Verhalten. Dieses ist bei Gehäuseabstimmungen mit zusätzlichem Resonanzsystem noch unnatürlicher, da das Verhältnis von ersten zu nachfolgenden Halbwellen noch entgegengesetzter wird. Je besser der gesamte Phasenverlauf eines Lautsprechers im mittleren und oberen Bereich wird (auch im Einschwingen), desto mehr fällt das schlechte Verhalten zu tiefen Tönen hin auf. Digital lässt sich zwar die Gruppenlaufzeit entzerren, jedoch bleibt stets das Problem der fehlenden Amplitude im Einschwingen - in dem Zeitraum, wo der Strahlungswiderstandsverlauf die Rahmenbedingungen setzt, bevor der Resonanzfall eintritt. Das richtige Wandeln in den Grenzbereichen des Übertragungssystems, die richtigen Zeit-Amplitudenbeziehungen zu erreichen, ist physikalisch unmöglich. Was bleibt, ist die praxisgerechte, von jedem individuell zu bestimmende maximale Größe der Membranfläche und der erforderlichen Konstruktion. Für diese individuellen Anforderungen müssen Lautsprecher in entsprechenden, immer begrenzten Größen entwickelt werden. Und diese sollen innerhalb des physikalisch möglichen Übertragungsbereichs möglichst richtig wandeln. Die erste Halbwelle wird von Basslautsprechern nicht vollständig ausgebildet, d.h. der erste Nulldurchgang erfolgt deutlich vor 180 Grad. Der Bass ist voreilend! Filter verzögern mit zunehmender Ordnung verstärkt im Bereich des Tiefpasses.

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