The Swing-in

Ein Lautsprecher versucht Transienten zu reproduzieren, indem er einschwingt. Dieses Einschwingen erfolgt gemäß seiner Übertragungsfunktion, sofern es keine Nichtlinearitäten gibt, z.B. Resonanzen. Die Übertragungsfunktion beschreibt das Einschwingverhalten und den Unterschied der ersten zu den nachfolgenden Halbwellen, dem quasi-eingeschwungenen Zustand. Sie ist gekennzeichnet durch einen Hochpass beim Tieftöner und einen Tiefpass beim Hochtöner, welche beide die Grenzen der Bandbreite des Lautsprechers bestimmen. Und beide zeigen ein entgegengesetztes Verhalten bei den Einschwingverzerrungen der Signale. Bei komplexen Resonanzerscheinungen versagt eine einfache Übertragungsfunktion allerdings völlig. Den Begriff Transienten verwendet man für Schallereignisse. Transienten sind Initialgeräusche mit einem breiten Frequenzspektrum, deren Signalformen von Natur aus keiner vorgegebenen Definition entsprechen (sie sind in keiner Weise bestimmt / berechnet). Das Einschwingen des technischen Systems Lautsprecher wird nicht Transiente genannt. Die Zeit bzw. Anzahl der Schwingungen, die ein Lautsprecher braucht, bis er dem Eingangssignal folgen kann, nennt man Einschwingvorgang. Die Zeit bzw. Anzahl der Schwingungen, die ein Lautsprecher dem Eingangssignal folgt, nennt man eingeschwungenen Zustand. Verzerrungen im Einschwingen hört man im Einschwingen, nicht beim Dauerton! Der Sinus als kurzes Signal (≈ 0,5 oder 1 Periode) ist bei verzerrter Wiedergabe tatsächlich gehörtechnisch nicht mehr als solcher zu erkennen, bzw. ist er ein völlig anderes, künstliches Geräusch. Das ist unmittelbar beim Hören während der Messung zu erleben. Als Dauerton ist er hingegen zu hören, da es dann diese Einschwingverzerrungen nicht mehr gibt. Hörbar ist dieses Verhalten auch eindeutig mit Rauschen oder ebenfalls sehr deutlich mit Applaus. Schaltet man dabei zwischen verschiedenen Lautsprechern um, wird man hören, dass der Applaus extrem variiert, weil jeder Lautsprecher ein anderes Verzerrungsprofil hat. Dass steil gefilterte Lautsprecher mitunter lahm und leblos klingen, ist ein Beweis dafür, dass die Einschwingvorgänge verzerrt werden. Die Impulse verlieren an Lautstärke und Kontur und verändern den Klang ins Künstliche. 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. Bemerkenswert sind die Angaben der oberen Grenzfrequenz (-3 dB) bei einigen Herstellern. So wird zum Beispiel für den Accuton BD20 (20 mm Diamantmembran) eine obere Grenzfrequenz von 100 kHz deklariert. Tatsächlich, nach Messungen des Chassis-Herstellers, liegt der -3 dB Punkt aber bei ≈ 44 kHz, das allerdings ohne eine sich überlagernde Haupt-Membranresonanz. Diese liegt bei ≈ 60 kHz (ca. -10 dB Punkt / je nach Mikro). Bei der Angabe der 100 kHz hat der Herstellers also um mehr als eine Oktave "geschönt" !

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

Die Einschwingvorgänge (1. Halbwelle) erfolgen aufgrund des Tiefpassverhaltens nicht mit der Anregungsfrequenz, beinhalten regelmäßig tiefere Frequenzen und die Amplitude liegt deutlich unter dem Wert im eingeschwungenen Zustand. Sie dauern länger als das Inputsignal und bewirken dadurch eine nacheilende Phase. Klanglich bedeutet das, dass die Hochtonimpulse zu leise und in der Tonhöhe zu tief sind. Der eingeschwungene Frequenzgang gaukelt uns aber etwas ganz anderes vor!
Wenn der Tiefpass des Systems erst bei sehr hohen Frequenzen wirkt, wie zum Beispiel bei der Myro Amur D mit dem Diamanthochtöner, dann ist das Einschwingen (die Startflanke der Sprungantwort) derart schnell, dass man nahezu eine Rechteckflanke bekommt. Ein tieferer Tiefpass bewirkt eine Verzögerung der Energie und somit ein zeitlich verzögertes Aufaddieren und somit die typische Rampe eines typischen "zeitrichtigen" Lautsprechers. Den Hochpass sieht man natürlich immer noch im Abfallen des Graphen. Dazwischen ist der Lautsprecher sehr breitbandig phasenlinear.

Datei:Subtronik.jpg Myro Subtronik

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! 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 (z.B. Bassreflex, Transmissionline etc.) bedienen, 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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