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. 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.) 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.

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Membranresonanzen Die Membranen sind akustische Schwachstellen des Gehäuses: Sie sind dünn, schalldurchlässig und resonieren. Jedes Material, das in Schwingung versetzt wird, schwingt auf seiner(n) Eigenresonanz(en) aus. 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. 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. Sie sind 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. 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. (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.) 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. 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. 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 und resoniert. 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.

Gehäuseresonanzen Im Gegensatz zu Membranen sind Resonanzen im Gehäuse meist, aber nicht immer unerwünscht. Das oft genutzte Bassreflexprinzip regt gezielt eine Resonanzfrequenz an, um den Schalldruck im Tiefton zu verstärken. 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. Zur Vermeidung unerwünschter Resonanzen im Gehäuse werden parallele Gehäusewände vermieden wie zum Beispiel durch Vielecke oder Rundungen. Die Ausbildung einer Längsresonanz (Innen-Höhe) zu unterdrücken, ist bei schlanken, hohen Gehäusen eine schwierige Aufgabe. Von der Konstruktion her ergibt sich bei dieser Grundform immer eine Innen-Höhe, deren Resonanz durch mehrere Zentimeter starke Dämmstoffe nicht mehr absorbiert werden kann. Dickere Dämmstoffe würden den Hohlraum füllen und die Wirkung der Bassreflexkonstruktion behindern. Man kann sich mit einem Trick behelfen durch die Verwendung und Anordnung mehrerer Bassreflexrohre. Hierbei wird die Luftsäule im Inneren an verschiedenen Stellen angezapft.

Gehörresonanzen

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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