Resonances

Allgemeines Resonanzen sind eine Ursache für Verzerrungen, das heißt von Abweichungen bei der Schallerzeugung gegenüber dem Eingangssignal. Es sind Energiespeichereffekte, die bei bestimmten Frequenzen in Membranen und Lautsprechergehäusen auftreten und Fehler in der Musikreproduktion erzeugen. Frequenzfilter und Gehäuse werden daher so entwickelt, dass Resonanzen möglichst gering auftreten. Jede Resonanz bewirkt auch eine zeitliche Verschiebung der zu übertragendem Töne. Resonanzen klingen außerordentlich aggressiv und verschmieren das Klangbild, die Transparenz geht verloren. Gleiches gilt für die Verständlichkeit. Als Energiespeicher sind Resonanzen zeitlich träge, sie können nicht spontan entstehen oder verschwinden. Sie treten damit nur im eingeschwungenen Zustand vollständig in Erscheinung. Während des Einschwingens eines Impulses hingegen wird die Resonanz noch mit Energie aufgeladen und macht sich erst verzögert bemerkbar. Dadurch wird dem Signal Energie entzogen. Der Resonanzfall des schwingenden Systems Lautsprecher beinhaltet eine Zeitvariable. Somit ist die Hochpassfunktion nicht konstant. Bei der Messung der Impedanz eines Lautsprechers über die Zeit erkennt man, dass die Impedanzkurve bei der Resonanzfrequenz anfangs linear ist und die typische Impedanzüberhöhung sich erst im zeitlichen Verlauf ausbildet. Bei der Messung mit Sinusperioden unterschiedlicher Frequenzen (Dynamic Measurement) erkennt man, dass das Verhältnis von erster zu zweiter Halbwelle ebenfalls nicht konstant ist, sondern dass sich bei der ersten Halbwelle ein hauptsächlich strahlungswiderstandsabhängiger Verlauf zeigt, während der Verlauf der zweiten Halbwelle schon durch den Einfluss der Resonanz des Systems mitbestimmt wird. Beim Abklingen des Impulses entlädt sich die Energie der Resonanz wieder, sodass sich das Abklingen verzögert und das Signal zeitlich gedehnt wird. (Ein anschauliches Beispiel für Resonanzen als Energiespeicher ist auch der Mikrowellengrill. Dabei wird das Essen mit der Resonanzfrequenz des Wassers bestrahlt, welches damit in Resonanz gerät, die Energie aufnimmt und sich erhitzt. Da Wasser der größte Bestandteil jeder Nahrung ist, wird das Essen damit insgesamt erhitzt.)

Datei:29332421.jpg Myro Elypticon

Datei:Wild Thing 2.jpg Myro Wild Thing II

Membranresonanzen Die Membranen sind akustische Schwachstellen des Gehäuses: Sie sind dünn, schalldurchlässig und resonieren. Da Membranen nicht ideal steif sind, schwingen außenliegende Membranteilflächen anders als innenliegende und dies auch noch vagabundierend chaotisch. Zudem breiten sich innerhalb jedes Membranmaterials Körperschallschwingungen aus, die eine andere Schallgeschwindigkeit haben als der Schall in der Luft. Dies führt an gewissen Orten der Membran oder auch der Randaufhängung zu einer komplexen Interaktion. Jedes Material, das in Schwingung versetzt wird, schwingt auf seiner(n) Eigenresonanz(en) aus, d.h. es reagiert auf eine Anregung durch ein Spektrum von Eigenschwingungen. Dieses Spektrum gibt den Lautsprechermembranen ihren Eigenklang. Die Anregung kann durch eine mechanische Kraftübertragung oder durch akustische Energie von außen (Schallwellen) erfolgen. Resonanzen können bereits durch geringe Energie angeregt werden. Der Resonanzfall, gleich welcher Art, ist unbedingt zu vermeiden! Die generellen Anforderungen an eine Lautsprechermembran lauten: Sie soll im Wesentlichen leicht, steif und mit hoher innerer Dämpfung versehen sein. Da sich diese Forderungen konstruktiv gegenseitig widersprechen, sind Membranmaterialien stets kompromissbehaftet. Jede Lautsprechermembran erzeugt Membranresonanzen. Deren Anzahl und die Ausprägung sind bei unterschiedlichen Chassis-Typen und Membrandurchmessern sehr unterschiedlich. Bei harten Membranen liegen die Resonanzen in einem höheren Frequenzbereich als bei weicheren Membranen. Sie weisen eine geringere innere Dämpfung auf, schwingen dafür aber im eigentlichen Nutzbereich kolbenförmig, ohne Resonanzerscheinungen. Partialschwingungen gibt es bei Hartmembranen in der Regel erst oberhalb des Haupteinsatzbereiches. Sie können sehr stark ausgeprägt und sehr komplex sein. In jedem Fall ist es hilfreich, diese Chassis nicht bis zum Allerletzten auszureizen und die Trennfrequenzen lieber mit einer oder mehreren Oktaven Abstand zu legen. Bei einem extrem steifen Schwingspulenträger (z.B. Titan), einem günstigen Ansatzbereich an der Membran, einer extrem steifen Membran (Keramik, Diamant, Beryllium) und einer hohen Magnetfeldsättigung im Luftspalt ist die direkte Koppelung der Antriebsenergie an die Luft mit Konuschassis hervorragend möglich. Weichmembranen weisen eine hohe innere Dämpfung auf, neigen dafür aber im eigentlichen Nutzbereich zu Partialschwingungen mit ihren komplexen Resonanzerscheinungen. Membranen mit einer hohen inneren Dämpfung schwingen weniger stark auf ihren Eigenresonanzen als Chassis mit geringer innerer Dämpfung. Allerdings liegen die Membranresonanzen in der Regel in einem tieferen Frequenzbereich, im eigentlichen Nutzbereich der Chassis. Bei der Auswahl von Chassis gilt die Aufmerksamkeit diesbezüglich: 1. dem schwingenden System aus Masse, Aufhängung und elektromagnetischem Antrieb sowie 2. der Verformung der Membran (ebenso von Sicke und Spider) und 3. den Membranresonanzen.

Membranresonanzen sind ein komplexes Phänomen. Sie erzeugen im wesentlichen den für ein Membranmaterial typischen Eigenklang und können zeitvariant oder zeitinvariant sein. Nur in dem letztgenannten Fall können die Myro-typischen Frequenzfilter zur Korrektur eingesetzt werden.
Will man den Membraneigenklang eliminieren, werden mehr oder weniger aufwändige Filter notwendig. Eine störende Membranresonanz zu eliminieren, klingt immer besser als es nicht zu tun. Wenn ein Chassis eine restlos bedämpfte Eigenresonanz hätte, dann entspräche sein Übertragungsverlauf dem Wirkanteil der Strahlungsimpedanz. Die Filterschaltungen dafür sind kein Problem, kritische Lautsprecherchassis dagegen schon. In einigen Fällen kann es dabei zu Impedanzminima unter 4 Ohm kommen. Diese sind in der Regel aber schmalbandig und in Frequenzbereichen, in denen seitens des Verstärkers wenig Leistung abverlangt wird. Die Membranresonanzen sind aber nicht unter allen Abstrahlwinkeln gleich bzw. wirken sich überhaupt aus. Korrigiert man sie unter einem bestimmten Abstrahlwinkel, also in Bezug auf einen bestimmten Punkt, so schlägt diese Korrektur unter anderen Winkeln durchaus ins Gegenteil um.
Das Ergebnis ist ein Lautsprecher praktisch ohne verfälschenden Eigenklang. (Lässt sich der Eigenklang der Membranen nicht vollständig eliminieren, so fügen sich gleich- (eigen-)klingende Typen oft besser zusammen. Die Teilbereiche des Übertragungsspektrums klingen dann ähnlich verfärbt und das ergibt einen Eindruck von Stimmigkeit, von Harmonie.) Das ist die Vorausetzung dafür, dass es tonal keine störenden Verfärbungen gibt und der Lautsprecher damit als Eigenschallquelle nicht mehr wahrnehmbar ist. Bei richtiger Schallsummenbildung, zusammen mit dem Hochtöner und eentuell eingesetztem Bass, gilt das für den gesamten Lautsprecher, natürlich vorausgesetzt, dass keine anderen Eigengeräusche wie Gehäuseresonanzen (Innenraumreflexionen und -resonanzen / Gehäusematerialresonanzen) oder sonstige Schnarr- und Klappergeräusche auffällig werden.

Bei Membranmaterialien, die langzeitstabil sind, bleiben auch die Membranresonanzen in Frequenz und Güte recht stabil. Membranen jedoch, die temperatur- und vor allem feuchtigkeitsempfindlich sind oder zur Korrosion neigen, sind die Verhältnisse weniger stabil. Solche Membranen zeigen oftmals ein Resonanzverhalten, das zeitvariant und somit schlecht oder gar nicht korrigierbar ist. Mit zeitvariant ist hier gemeint, dass eine Membranresonanz zuerst einschwingt, dann durch gegenphasige Schwingungen in sich zusammenbricht und anschließend wieder auflebt, wobei sich in der Regel in diesem Vorgang keine stabile Resonanzfrequenz einstellt. Dies alles geht innerhalb weniger Millisekunden vor sich. Solch einen Vorgang kann ein Filter nicht korrigieren.
Breitbänder bilden unter den Chassis einen Sonderfall und enthalten über einen weiten Bereich im Hochton ausschließlich Resonanzen als Teil des Konzeptes, wo sie zwar einen Pegel, aber keine Musikinformation liefern.

Datei:Mundorf AMT 26 myro-V2 1.jpg
Mundorf AMT26-Myro-V2

Harte Membranen

Harte Membranen verschieben die Resonanzen an das obere Ende ihres Übertragungsbereichs oder darüber hinaus, allerdings sind sie dort ausgeprägter mit extrem hoher Güte auf und erfordern entsprechende Korrekturfilter. Der Frequenzgang fällt in der Regel vorher ab, entspricht somit nahezu der idealtypischen Übertragungsfunktion eines Chassis dieser Größe. Es gilt vereinfacht: Je härter das Material, desto höherfrequent die Membranresonanzen. Selten findet man dabei eindeutige Bezüge von Grundwelle zu Oberwellen und zu Subharmonischen. Bei Diamant-, Beryllium- und Keramikmembranen sind diese Beziehungen jedoch erkennbar. Die Partialschwingungen einer Membran, also die Eigenschwingungen von Teilflächen der Membran, sind aber zeitvariant und mit einfachen Modellen nicht beschreibbar.
Bei steifen Materialien schwingen die Resonanzen über die Zeit gleichmäßig aus. Im Wasserfalldiagramm ist dabei ein gleichmäßiger, frequenzstabiler "Gebirgszug" zu erkennen. Die Sprungantwort zeigt dementsprechend eine gleichmäßige Welligkeit des Graphen. Ein Notchfilter beseitigt diese Welligkeit restlos, wobei zu beachten ist, dass die Anregung durch ein extrem breitbandiges Signal erfolgt, in dem alle Frequenzen der Übertragungsbandbreite des Chassis enthalten sind. Außerdem ist auf Serienstreuungen zu achten.

Weiche Membranen

Weiche Membranen mit hoher innerer Dämpfung zeigen ebenfalls eine Vielzahl von Eigenresonanzen. Sie sind aber auch stärker bedämpft, daher mit geringerer Güte und in der Regel auch in niedrigeren Frequenzbereichen zu finden als bei harten Membranen. Sie liegen darum im Übertragungsbereich und erwecken mitunter sogar den Eindruck, der nutzbare Übertragungsbereich wäre zu hohen Frequenzen hin ausgedehnter. Weiche Membranen reagieren zudem kritischer auf die Sicken-Resonanz (Resonanz der Randaufhängung) als harte Membranen.
Die Partialschwingungen sind extrem komplex und aufgrund ihrer Zeitvarianz eingangsseitig durch Filter nicht eindeutig nachbildbar und verminderbar. Zudem gibt es Partialschwingungen, die zusammen mit den Membranresonanzen auftreten. So ergibt sich ein zeitvarianter Mix mit einem über die Zeit auf- und abschwellenden Verlauf. Partialschwingungen treten minimal verzögert ein und wirken nicht direkt auf das Einschwingen. In deren Entstehungsprozess nimmt die Spannung der "Federn" der einzelnen Membransegmente Energie aus der Vorwärtsbewegung. Dies ist vor allem ein Problem weicher und wenig steifer Membranen im Allgemeinen. Die Schwingspule taucht bei nachgiebigen Membranen, insbesondere bei schnellen, impulsartigen Vorgängen, in die Membran ein und verformt diese. Dadurch geht Energie verloren, die Impulse werden verzögert und die eingetragene Energie wird in Wärme oder nachfolgende Restschallwellen gewandelt, die mit dem Direktschall interferieren.
Ein weit verbreitetes Phänomen bei weichen Membranen ist die sogenannte Midrange-(Edge)-Resonanz.

Die Plüschmembran
... gibt es aus guten Gründen zwar nicht, sie hätte aber durchaus einen Vorteil. Denn Koaxiallautsprecher werden gern als Annäherung an die Punktschallquelle verwendet und haben dahingehend unbestreitbare Vorteile. Sie enthalten aber auch das Dilemma zwischen den Vor- und Nachteilen der harten und weichen Membranen, denn sie haben stets ein Problem: Der Hochtöner gibt mitten im Zentrum mit vollem Pegel Impulse und Frequenzen auf die Mitteltieftonmembran, so dass diese wie eine Klangschale angeschlagen wird. Er regt die Membranresonanzen der Mitteltieftonmembran an und diese Bewegungen schaukeln sich zu Resonanzen auf. Dadurch strahlt die Membran als Schallquelle Schallwellen ab, die sich, je nach zeitlicher Korrelation zum Hochtonschall, addieren oder subtrahieren. Das sehen wir in den Diagrammen.

Je härter das Material, desto ausgeprägter der Effekt. Und leider liegen diese Membranresonanzen der Mitteltieftonmembranen genau im Übertragungsbereich des Hochtöners. Für Koaxialkonzepte sind also mehr oder weniger weiche Membranen erforderlich, um den Effekt zu begrenzen. Da harte Membranen aber eigentlich akustisch im Vorteil sind, lässt sich dieser Zielkonflikt nicht auflösen. Eine Plüschmembran wäre, allein unter diesem Aspekt betrachtet, also vorteilhaft.
Die Anregungen durch den Hochton-Schalldruck lassen sich auf der Frequenzskala mit jenen vergleichen, die der Konus bei Anregung via eigener Schwingspule zeigt. Denn wenn man den Hochtöner allein misst, dann regt er die Membranresonanzen der Mitteltieftonmembran an. Dadurch gerät die Membran in Bewegung und diese Bewegungen schaukeln sich zu Resonanzen auf. Dadurch strahlt die Membran als Schallquelle Schallwellen ab, die sich, je nach zeitlicher Korrelation zum Hochtonschall, addieren oder subtrahieren. Dieser Effekt lässt sich messtechnisch zeigen.
Die Problematik wird immer auch dann bemerkbar sein, wenn Chassis nah beieinander platziert sind, von denen mindestens eines in den Resonanzbereichen des anderen arbeitet. Der Schalldruck der Anregung ist jedoch um viele Dezibel geringer als bei einem Koaxialchassis.

Magnesium Membran

Aluminium Membran

Reed-Paper-Membran

Die Bilder links zeigen die Messungen von Seas Koaxialchassis, wie sie in verschiedenen Modellen, z.B. dem Myro Coax Monitor, zum Einsatz kamen. Hier ist eindeutig die Korrelation der Mittelton-Membranresonanzen mit den Nichtlinearitäten des Hochton-Frequenzgangs zu sehen. Überall dort, wo die Mitteltonmembran eine Resonanz ausbildet, gibt es eine Interaktion mit dem vom Hochtöner abgestrahlten Schall. Die Resonanzstellen haben jede für sich ein spezifisches Amplituden-Phasenverhalten und stehen in Beziehung zum Amplituden-Phasenverhalten des Hochtöners. Die Auswirkungen sind sehr komplex. Beispiel: Dort, wo bei der Reed-Paper-Membran eine Spitze (Resonanz) der Mitteltonmembran (schwarz) zu sehen ist, gibt es eine Wechselwirkung mit dem Hochtonschall und im Frequenzgang des Hochtönern sehen wir exakt (nahezu spiegelbildlich) bei den Welligkeiten der Mitteltonmembran entsprechende Welligkeiten im Hochtonfrequenzgang. Das sind die Wechselwirkungen der resonierenden Mitteltonmembran mit dem Hochtonschall.

Quelle: Fa. Seas, www.seas.no

Manger-Wandler
Eine spezielle Art der weichen Membranen ist der Manger-Wandler. Hier gehört die sich verformende Membran zum Konzept, indem sie Biegewellen ausbildet. Dabei wird ein Teil der Bewegungsenergie in der Membran gespeichert bzw. dort in Wärme gewandelt. Selbstverständlich hat auch die Membran eines Manger-Wandlers Resonanzen, ebenso wie das gesamte schwingende System eine oder mehrere Eigenresonanz(en) besitzt. Es gibt einige Phänomene zwischen dem inneren Membran-Teil (innerhalb der großen Schwingspule) und dem Bereich außerhalb. Und auf diesen Resonanzen schwingt das System nach Anregung aus - und genau so klingt es auch. Rückstellkräfte gibt es dort ebenso, die Membran nimmt letztendlich ihre Urspungsform wieder an.

Zusammenfassung

Gut entwickelte Hartmembranchassis sind in ihrem Einsatzbereich Weichmembranchassis in der Regel in allen Punkten überlegen und haben nur einen Nachteil: die schwach bedämpften Membranresonanzen am oberen Ende des Übertragungsbereichs. Lässt man diese unbedämpft, klingen diese Lautsprecher wie viele es kennen: hart, harsch und bimmeln und rasseln wie eine Fahrradklingel. Darin finden viele Vorurteile ihren Nährboden. Setzt man nun einen Hochtöner in deren Mitte (koaxial), dann wird dieses Resonieren extrem stark vom Hochtöner, von außen, angeregt und spiegelt sich sogar extrem im Frequenzverlauf des Hochtöners wieder.
Unbedämpfte Membranresonanzen zu bedämpfen, ist mechanisch (aufbringen dämpfender Masse = schwere Membran) oder elektrisch durch äquivalente Filter möglich, aber sehr aufwändig und in der Produktionsserie einzumessen (Serienstreuung des Chassis). Die Erhöhung des Membrangewichts ist gleichzusetzen mit einem elektrischen Tiefpass, wirkt also wie Bauteile im Signalweg. Die Partialschwingungen einer Membran werden durch das Aufbringen einer dämpfenden Masse zu tieferen Frequenzen hin verschoben und in ihrer Wirkung abgeschwächt. Der Übertragungsverlauf des Chassis sieht entsprechend aus. Der Abfall zu höheren Frequenzen wird dadurch stärker und die Phase nacheilender. Die Linearität nimmt zu, wenn es insgesamt richtig gemacht wird.
Man sollte aber aufpassen, dass die Membranaufhängung und die gesamte Auslegung des Antriebs eine höhere bewegte Masse vertragen können, denn ursprünglich waren sie auf eine geringere bewegte Masse ausgelegt. Andererseits wäre auch eine Zunahme der Verzerrungen zu erwarten, insbesondere wenn die Membranmasse bei größeren Hüben in die nichtlinearen Bereiche der Randaufhängung und des Spiders eintaucht.

Kann eine Sensorregelung helfen?

Einige Aktivlautsprecher verwenden eine Sensorregelung, um Nichtlinearitäten der Chassis zu verringern. Für die Korrektur einiger Phänomene können sensorische Regelungen hinzugezogen werden. Sie sollten nur möglichst in "Echtzeit" wirken. Allerdings werden durch Sensoren nur bestimmte Eigenschaften am Ort des Sensors erfasst. Was in mehreren Metern Entfernung als Interaktion aller Systeme passiert, z.B. Laufzeitdifferenzen am Hörplatz, lässt sich damit nicht erfassen. Selbst wenn sich jede einzelne Membran völlig korrekt, gleich dem Eingangssignal, verhalten würde, wäre dies kein Indiz für die richtige Schallsumme der Systeme.
Gleiches gilt für die Auswirkungen (Summe / Differenz im Zeitverlauf) von Partialschwingungen der Membranen in Hörentfernung, die Strahlungsimpedanz der Chassis im Gehäuse, die Sekundärschallwellen durch Schallbeugung usw. Sie sind prinzipiell nicht korrigierbar. Eine Sensorregelung kann nur regeln, was sie am Ort der Regelung erfasst. Wenn der Sensor ein Mikrofon an der Membran ist, kann dieses nur den Schalldruckverlauf an dieser Stelle aufnehmen und als Information in die Regelung einspeisen. Da Membranen aber nicht ideal steif sind, schwingen außenliegende Membranteilflächen anders als innenliegende. Zudem breiten sich innerhalb jedes Membranmaterials Körperschallschwingungen aus, die eine andere Schallgeschwindigkeit haben als der Schall in der Luft. Dies führt an gewissen Orten der Membran oder auch der Randaufhängung zu einer komplexen Interaktion. Davon bekommt der Sensor nicht viel mit. Von Schallanteilen, die durch Beugung an den Chassis- oder Gehäusekanten zu Sekundärschallwellen werden, bemerkt der Sensor ebenfalls nichts. Hier ist eine Regelung darum unwirksam.
Außerdem sollte man dynamische Zeitfehler durch die Frequenzfilter vermeiden. Sonst nützt die ganze Regelung nichts.

Datei:Concert Monitor.jpg Myro Concert Monitor

Gehäuseresonanzen Im Gegensatz zu Membranen sind Resonanzen im Gehäuse meist, aber nicht immer unerwünscht. Die untere Grenzfrequenz kann im offenen, geschlossenen oder in einem Gehäuse mit einem Resonanzprinzip (Bassreflex / Transmissionline etc.) erreicht werden. Das oft genutzte Bassreflexprinzip regt gezielt eine Resonanzfrequenz an, um den Schalldruck im Tiefton zu verstärken. Anhand der Wirkweise des Bassreflexprinzips zeigt sich, dass ein solches Resonanzsystem eine gewisse Zeit braucht, um einzuschwingen. Bei der Impulswiedergabe steht die Schallenergie des Resonanzsystems noch nicht zur Verfügung! Auch Transmissionline und Backloaded Horn nutzen Resonanzen zur Schallverstärkung. Für alle Resonanzen aber gilt: Sie erzeugen unmodulierten Schall. Sie erzeugen damit zwar Schalldruck, enthalten aber keine Musikinformation, weil der Schall unkontrolliert erzeugt wird und nicht dem Musiksignal folgt. Resonanzen erweitern den Übertragungsbereich für Musik daher nicht. Dies ist ausschließlich mit größerer Membranfläche zu erreichen. Zudem bestimmen weitere Aspekte Die Formgebung des Gehäuses, u.a. zur Vermeidung unerwünschter Resonanzen im Gehäuse. Gehörresonanzen Resonanzen prägen alle Hörerlebnisse, auch bei natürlichen Schallereignissen, denn sie sind nicht nur Bestandteil technischer Wiedergabesysteme, sondern auch des menschlichen Gehörs. Sie sind damit Bestandteil jedes natürlichen Höreindrucks. Resonanzen bilden sich aufgrund der Länge des äußeren Hörkanals aus und führen zu erhöhter Empfindlichkeit in bestimmten Frequenzbereichen. Im Bereich des menschlichen Hörspektrums existieren drei Resonanzstellen, die das Hörempfinden prägen. Sie führen dazu, dass die aufgrund mechanischer Trägheit abnehmende Empfindlichkeit des Gehörs zu hohen Frequenzen kompensiert wird und bei 4 kHz sogar ansteigt. Die Fachliteratur bietet dazu weitergehende Beschreibungen, auf welche die Konstruktion von Lautsprechern keinen Einfluss hat. Raumresonanzen Resonanzen sind Bestandteil fast jeden Raumes bedingt durch parallele Wände, Boden und Decke. Sie erschweren damit ebenfalls Zeitrichtiges Hören im Raum und verändern wie jede andere Resonanz die im Schall enthaltene Information.

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