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Über das Impulsverhalten von Lautsprechern

Authored by AEC Engineering

Wir hören Sprache, Geräusche, Musik. Deren Schallstruktur ist gekennzeichnet durch ständig wechselnde dynamische Schalldruckereignisse. Auch hier gilt: Nichts ist stetiger als die Veränderung!

Die Signalformen der Schalldruckereignisse variieren schnell und derart stark, daß Wiederholungen praktisch nicht vorkommen. Die Komponenten einer Schallreproduktionsanlage müssen daher die Fähigkeit besitzen, diese sich ständig ändernden Signalformen zu übertragen, in elektrischer und akustischer Form. Eingeschwungene, quasi statische Zustände kommen praktisch nicht vor. Abb. 1 zeigt die Signalstruktur eines Musikereignisses.

Die mit Abstand größten Probleme, einer Signalstruktur zu folgen, haben elektroakustische Wandler (im Volksmund Lautsprecher genannt). Das sich ständig erneute Einschwingen auf die nächstfolgende Signalform ist für Lautsprecher fast ausnahmslos unmöglich. In weiten Bereichen der Übertragungsbandbreite können nicht einmal einfachste Signalformen reproduziert werden.


Warum klingen zwei Lautsprecher mit identischen Schalldruck-Frequenzgängen mit größter Wahrscheinlichkeit vollkommen unterschiedlich?

Diese Frage geht von der irrigen Annahme aus, der Schalldruck-Frequenzgang eines Lautsprechers gäbe erschöpfend Auskunft über seine akustischen Eigenschaften. Genau das ist aber gerade nicht der Fall. Es soll zwar Leute geben, die so kühn sind, allein aus dem Schalldruck-Frequenzgang eines Lautsprechers auf dessen akustische Qualitäten zu schließen. Aber schon das dreidimensionale Zerfallsspektrum zeigt durch Hinzunahme der Zeitachse Dinge, die aus dem Amplitudenfrequenzgang allenfalls zu erahnen sind.

Wie viel wir bei der ausschließlichen Betrachtung eines Lautsprechers im Frequenzbereich übersehen, wird deutlich, wenn wir uns vor Augen führen, daß die Darstellung des Lautsprecher-Frequenzgangs nur auf Grund einer Transformation (eine mathematische Operation) zustandekommt. In Wirklichkeit arbeitet jeder Schallwandler im Zeitbereich. Das Eingangs-( Musik-)Signal ist eine zeitabhängige Größe, nämlich eine elektrische Spannung mit veränderlicher Amplitude, und der Lautsprecher reagiert darauf mit einer Membranbewegung, die ebenfalls eine Funktion der Zeit und im Idealfall exakt proportional zum Eingangssignal ist. Die Membran setzt die sie umgebende Luft in Schwingung, und diese Luftdruckschwingung erreicht schließlich unser Ohr. Erst im Gehirn findet die Umsetzung der zeitabhängigen Eingangsgröße in die Frequenzebene statt, so daß wir mit unserem Bewußtsein kein zeitlich veränderliches Signal, sondern eine Tonhöhe wahrnehmen.

Meßtechnische Annäherung

Die Meßtechnik nimmt diese Zeit-Frequenz- Transformation vorweg, um mit einem Frequenzgang eine Darstellungsart zu bieten, die unserer bewußten Hörempfindung entspricht: Aber diese Transformation beinhaltet einen Stolperstein: Ganz unterschiedliche Zeitfunktionen können zu ein und demselben Amplitudenfrequenzgang des Schalldruckpegels führen.

Nun leuchtet es unmittelbar ein, daß nur eine einzige zeitabhängige Signalform die richtige, dem originären Musikereignis entsprechende sein kann, während alle anderen Zeitfunktionen, die zum selben frequenzabhängigen Übertragungsverhalten führen, einen Fehler darstellen. Dies ist der Grund dafür, daß verschiedene Lautsprecher trotz identischem Schalldruck- Frequenzgang völlig unterschiedliche Höreindrücke hervorzubringen in der Lage sind.

Fehler konventioneller Mehrweg-Lautsprecher

Und viel schlimmer noch: Fast alle den Markt für Unterhaltungselektronik bevölkernden Lautsprecher besitzen – trotz in der Mehrzahl ordentlichem Frequenzgang – einen systemimmanenten Fehler; im Zeitbereich betrachtet, bieten sie ein Übertragungsverhalten, das das Eingangssignal (Stimulus) bis zur Unkenntlichkeit verzerrt. Deutlich macht das die Impulsmeßtechnik: Sie arbeitet mit einer Sprung- oder Dirac- (Einheitspuls-) Funktion. Welches dieser beiden Signale als Stimulus zum Einsatz kommt, liegt lediglich in der praktischen Durchführbarkeit begründet. Der Sprung besitzt einen größeren Energiegehalt als der Puls, womit sich ein größerer Signal- Rausch-Abstand einhalten läßt. Außerdem zeichnet sich die Sprungantwort im Vergleich zur Impulsantwort durch eine größere Anschaulichkeit aus. Beide Signalformen sind durch Integration bzw. Differentiation ineinander überführbar und besitzen daher exakt den gleichen Informationsgehalt.

In ihrer Charakteristik gleichen impulsförmige Meßsignale weitaus eher einem Musiksignal als sinusförmige Anregungen. Musik besteht nämlich praktisch ausschließlich aus Impulsen, deren Ein- und Ausschwingvorgänge für das typische Timbre von Musikinstrumenten wie auch von Stimmen verantwortlich sind. Impulse bieten daher – sowohl theoretisch nachvollziehbar, wie eingangs geschildert, als auch im praktischen Experiment nachgewiesen – das einzig geeignete Instrumentarium zur Beurteilung der Übertragungsqualität von Lautsprechern.

Die Anwendung der Impulsmeßtechnik auf verschiedene Lautsprecher offenbart ein grundsätzliches Fehlverhalten der meisten Schallwandler: Aus einer Anstiegsflanke des Eingangssignals generieren fast alle Lautsprecher mehrere Einschwingvorgänge in zeitlicher Abfolge. Dabei prescht der Hochtöner vor, während der langsamere Mitteltöner mit einigen hundert Mikrosekunden Verspätung folgt und der Tieftöner im Abstand von einer oder mehreren Millisekunden das Schlußlicht bildet.

Die Anwendung der Impulsmeßtechnik auf verschiedene Lautsprecher offenbart ein grundsätzliches Fehlverhalten der meisten Schallwandler: Aus einer Anstiegsflanke des Eingangssignals generieren fast alle Lautsprecher mehrere Einschwingvorgänge in zeitlicher Abfolge. Dabei prescht der Hochtöner vor, während der langsamere Mitteltöner mit einigen hundert Mikrosekunden Verspätung folgt und der Tieftöner im Abstand von einer oder mehreren Millisekunden das Schlußlicht bildet.

Bild 2. Das Sprungsignal besitzt eine unendlich steile Anstiegsflanke und bleibt ab diesem „Einschaltzeitpunkt“ konstant auf dem Wert „1“.Bild 3. Ein idealer Lautsprecher, der das Übertragungsverhalten eines Bandpasses mit einer oberen und einer unteren Grenzfrequenz besitzt, überträgt das Sprungsignal mit einer möglichst steilen Anstiegsflanke und einem möglichst langsamen und gleichmäßigen Abfall. Die Anstiegszeit ist umgekehrt proportional zur oberen Grenzfrequenz, die Ausschwingdauer umgekehrt proportional zur unteren Grenzfrequenz.

Die evolutionäre
Bedeutung des Gehörs

Das Gehör erfährt durch diese Abfolge mehrerer Einschwingvorgänge eine Irritation; die räumlich stabile Ortung der ursprünglichen, bei der Reproduktion ja nur noch fiktiven Schallquellen gelingt ihm allenfalls unzureichend. Der Grund dafür liegt in der Evolutionsgeschichte des Gehörs: Ursprünglich diente es dem Menschen dazu, Gefahren wahrzunehmen und zu lokalisieren. Selbst kürzeste Geräusche, etwa eines brechenden Zweiges, sicher zu orten war einmal lebensnotwendig. Das Gehör ist, das zeigen wissenschaftliche Untersuchungen, in der Lage, zeitliche Abfolgen in der Größenordnung weniger Mikrosekunden aufzulösen. Die ersten Millisekunden eines Schallsignals dienen der Ortung und Erkennung eines akustischen Ereignisses. Die erste Wellenfront eines Schallereignisses löst dessen Identifikation aus. Das Einschwinggeräusch eines Lautsprechers löst dagegen gleich mehrere Erkennungsvorgänge aus, die sich gegen- seitig widersprechen und damit das räumliche Hören verwirren.

Optimales Impulsverhalten

Ein leider oft angewandtes, aber untaugliches Mittel zur Verbesserung des räumlichen Eindrucks bei der Musikwidergabe über Lautsprecher liegt in der Betonung des Hochtonbereichs. Diese Maßnahme verstärkt das Einschwinggeräusch des Hochtöners gegenüber denjenigen seiner langsameren Mitstreiter mit größeren Membranen. Allerdings verändert diese Maßnahme auch die Klangfarben, und der resultierende Klangeindruck wird als spitz, hart und unnatürlich beschrieben.

Bild 4. Reale, fehlerbehaftete Lautsprecher besitzen neben der systembedingten Anstiegs- und Ausschwingdauer weitere Ein und Ausschwingvorgänge, die sie dem Musiksignal willkürlich hinzufügen. Der Grund dafür: Jeder beteiligte Schallwandler, ob Hoch-, Mittel- oder Tieftöner, besitzt ein eigenes Ein- und Ausschwingen in zeitlicher Abfolge. Diese Dispersion (= zeitliches Auseinanderziehen) ist vergleichbar dem optischen Verhalten eines Prismas, das weißes Licht in seine Spektralfarben zerlegt. Wenngleich das weiße Licht und das Licht des Regenbogens die selben elektromagnetischen Schwingungen enthalten, wird niemand auf die Idee kommen zu behaupten, beides sei das Selbe. Zusätzlich sehen wir hier noch ein Überschwingen in den negativen Bereich durch Energie, die in Filtern höherer Ordnung oder in den Schallwandlern selbst gespeichert wird.Bild 6. Ein weiteres Problem der meisten Lautsprecher: Für eine breitere Stereobasis im Raum und vom Lautsprecher „losgelösten“ Klang suchen die Entwickler Hoch- und Tieftöner mit möglichst breitem und gleichmäßigen Abstrahlverhalten. Da aber die Übergänge der Frequenzaufteilung nicht unendlich scharf bzw. die Filter nicht unendlich steil sein können, existiert ein Überlappungsbereich, in dem sich Auslöschungen durch gegenphasige Schallerzeugung der beteiligten Schallwandler ergeben können. Um dieses Phänomen zu unterbinden, wird einer der beteiligten Schallwandler umgepolt, in der abgebildeten Sprungantwort der Tieftöner. Was im Übernahmebereich die gewünschte Wirkung – Schalladdition statt der zuvor beobachteten Auslöschung – hervorruft, ist für den eigentlichen Übertragungsbereich des umgepolten Hochtöners schädlich: Bei einem Impuls schwingt die Hochtonmembran nach vorn, die des Tieftöners aber zurück. Wie kann das zu einer korrekten Wiedergabe führen? Das Gehirn improvisiert wohl und „sagt“ uns aus der Frequenzanalyse, was wahrscheinlich gemeint ist, aber das Original vermag es nicht wiederherzustellen.

Eine andere Strategie besteht in der gegenphasigen Polung von Hoch- und Tieftöner. Auf diese Weise versucht der Anwender die Sprungantwort zu glätten. In diesem Fall folgen eine positive Anstiegsflanke und eine negative abfallende Flanke aufeinander, was in der Summe aber keinen Vorteil bringt: Auf den kurzzeitigen Druckanstieg der Hochtönerflanke folgt ein durch den Tieftöner hervorgerufener Druckabfall, der den Ortungsmechanismus des Gehörs nur zusätzlich irritiert.

Bild 5. AEC-Lautsprecher besitzen keine Dispersion des Schalls: Ihre Sprungantwort gleicht weitestgehend dem Ideal.

Der richtige Weg liegt in der zeitlichen Anpassung der Einschwingabläufe aller beteiligten Schallwandler aneinander, so daß in der Summe ein einziger Einschwingvorgang resultiert. Diesen Weg beschreitet das AEC WTL-Design. Es zeigt ein Impulsverhalten, das dem Ideal nächstmöglich kommt. Daß dabei die tonale Ausgewogenheit, sprich ein linearer Schalldruck- Frequenzgang, nicht auf der Strecke bleibt, versteht sich von selbst. Der initiale Unterschied zu anderen Lautsprechern liegt aber im fehlerfreien Impuls-Übertragungsverhalten und der Bewahrung der originären Obertonstruktur im gesamten hörbaren Frequenzbereich.

Bild 7: ESS erhält die harmonische Struktur von komplexen Schallereignissen

Die Natur im Allgemeinen und Musik im Speziellen erzeugen keine reinen Sinuswellen; im Gegenteil: Jeder Klang besteht aus seiner Grundwelle und der Obertonstruktur. Für die fehlerfreie Wiedergabe dieses Klangs mittels eines Lautsprechers ist es unverzichtbar, diese Struktur sowohl in Bezug auf die Amplitude als auch auf die Phase zu erhalten.

Obertonstrukturen zeichnen sich durch große Komplexität aus. Sie umfassen den gesamten hörbaren Frequenzbereich von den tiefsten Bässen bis zur Grenze der Wahrnehmbarkeit und sogar darüber hinaus. Sie enthalten den Schlüssel zur Erkennung unterschiedlicher Geräusche, Musikinstrumente, Kindergeschrei, Schmerz und Freude. Das komplexe Frequenzgemisch jedes Klangs oder Geräuschs überstreicht auch den Übernahmebereich zwischen Hoch- und Tieftöner eines Lautsprechers und wird dabei in einen Hochton- und einen Tieftonteil aufgetrennt. Die Struktur der Grundwelle und Obertöne muß dabei erhalten bleiben, damit der Lautsprecher eine perfekte Wiedergabequalität erreichen kann.

Das AEC WTL-Design („Wave-Form Transient Linearity“) erhält die Obertonstruktur auf zwei Arten:

1. Tiefen und Höhen entstehen in einem einzigen virtuellen Punkt im Raum. Daher existieren anders als bei anderen Lautsprecher-Bauarten weder Zeit- noch Phasendifferenzen zwischen den Obertönen unter- und oberhalb der Trennfrequenz.

2. Das AEC WTL-Design erhält das Verhältnis der Amplituden von Grund- und Oberwellen exakt, und zwar sowohl senkrecht vor dem Lautsprecher als auch weitestgehend außerhalb der Symmetrieachse. In normalen Wohnräumen besteht der größte Anteil des vom menschlichen Gehör empfangenen Schalls aus Reflexionen, die der nicht in Richtung der Symmetrieachse abgestrahlte Schall auslöst. Die kugelförmige und auch außerhalb der Symmetrieachse gleichmäßige Schallabstrahlung des WTL-Designs stellt sicher, daß die reflektierte Schallenergie die gleiche Oberwellen-struktur wie der Direktschall besitzt.

Lineares Phasenverhalten

Die Phase ist vermutlich das am schwierigsten zu erklärende Phänomen in der Akustik. Andererseits ist die Auswirkung des Phasenverhaltens bzw. der unterschiedlichen Zeitverzögerung unterschiedlicher Frequenzen auf natürliche Klänge für jedermann leicht hörbar – dennoch haben auch Experten oft ebenso viele Schwierigkeiten, den Sachverhalt zu erklären wie Laien, ihn zu verstehen.

Um das Phänomen unterschiedlicher Phasenverhalten zu illustrieren, eignet sich am besten die Analogie zur optischen Wahrnehmung: Das Bild eines Zerrspiegels illustriert den Effekt starker Phasenverschiebungen und damit zeitlich über die Frequenzen verschobener Ton-Reproduktion sehr anschaulich.

Die meisten Lautsprecher teilen den hörbaren Frequenzbereich in zwei oder drei Teilbereiche auf, für deren Übertragung darauf spezialisierte Schallwandler – Tief-, Mittel- und Hochtöner – zuständig sind. Das AEC WTL-Design verwendet zwei Wandler, um die Zahl der Übernahmepunkte auf einen einzigen, die minimal mögliche Zahl, zu reduzieren. Beide Wandler müssen den Schall zur gleichen Zeit und am gleichen Ort erzeugen, andernfalls geht die originale Obertonstruktur verloren.

Lineares Phasenverhalten bedeutet, daß ein Lautsprecher für alle Frequenzen des hörbaren Frequenzbereichs die gleiche Zeitverzögerung darstellt. Nur dann kann er natürliche Klänge kompromißlos reproduzieren. Das AEC WTL-Design erfüllt diese Bedingung: Es besitzt ein lineares Phasenverhalten in seinem gesamten Übertragungsbereich. Siehe Bild 8 und 9.

Betrachten wir den Lautsprecher in der traditionellen Disziplin der Wiedergabe eines Sinustons, können wir folgendes feststellen: Für diese Schallwellen gibt es den Fachbegriff „Hüllkurve“, denn man kann solch eine Wellenform durch die Summe vieler verschiedener Schallwellen erzeugen.

Ein weiterer, außerordentlich interessanter Aspekt unserer Analyse ist die Bestimmung der Tonhöhe, der Frequenz der Halbwellen (Hüllkurven) der Schallantwort des Prüflings. Eine spezielle Zusatzsoftware unseres ATB Precision Meßsystems berechnet uns nach Anklicken der Nullpunkte einer Hüllkurve die aquivalente Frequenz, also die Tonhöhe dieser Wellenform.

Wir stellen mit großem Erstaunen fest: Keine Spur von unserem 3000 Hz-Ursprungssignal. Stattdessen hören wir Wellenformen mit deutlich höherer Frequenz. Und wie sieht dies für den wichtigen Bereich von 500 Hz bis 5 kHz aus?

Auf jeden Fall anders als unser Quellensignal! Folglich gibt es Erkennungs- und Kompensationsstreß für unser Gehirn und somit Hörermüdung.

Quo vadis high fidelity?

Viele weitere Analysen und daß es auch genauer geht, erfahren und erleben Sie mit dem AEC Air Motion Transformer.

Über das Impulsverhalten von Lautsprechern

Authored by AEC Engineering

Wir hören Sprache, Geräusche, Musik. Deren Schallstruktur ist gekennzeichnet durch ständig wechselnde dynamische Schalldruckereignisse. Auch hier gilt: Nichts ist stetiger als die Veränderung!

Die Signalformen der Schalldruckereignisse variieren schnell und derart stark, daß Wiederholungen praktisch nicht vorkommen. Die Komponenten einer Schallreproduktionsanlage müssen daher die Fähigkeit besitzen, diese sich ständig ändernden Signalformen zu übertragen, in elektrischer und akustischer Form. Eingeschwungene, quasi statische Zustände kommen praktisch nicht vor. Abb. 1 zeigt die Signalstruktur eines Musikereignisses.

Die mit Abstand größten Probleme, einer Signalstruktur zu folgen, haben elektroakustische Wandler (im Volksmund Lautsprecher genannt). Das sich ständig erneute Einschwingen auf die nächstfolgende Signalform ist für Lautsprecher fast ausnahmslos unmöglich. In weiten Bereichen der Übertragungsbandbreite können nicht einmal einfachste Signalformen reproduziert werden.


Warum klingen zwei Lautsprecher mit identischen Schalldruck-Frequenzgängen mit größter Wahrscheinlichkeit vollkommen unterschiedlich?

Diese Frage geht von der irrigen Annahme aus, der Schalldruck-Frequenzgang eines Lautsprechers gäbe erschöpfend Auskunft über seine akustischen Eigenschaften. Genau das ist aber gerade nicht der Fall. Es soll zwar Leute geben, die so kühn sind, allein aus dem Schalldruck-Frequenzgang eines Lautsprechers auf dessen akustische Qualitäten zu schließen. Aber schon das dreidimensionale Zerfallsspektrum zeigt durch Hinzunahme der Zeitachse Dinge, die aus dem Amplitudenfrequenzgang allenfalls zu erahnen sind.

Wie viel wir bei der ausschließlichen Betrachtung eines Lautsprechers im Frequenzbereich übersehen, wird deutlich, wenn wir uns vor Augen führen, daß die Darstellung des Lautsprecher-Frequenzgangs nur auf Grund einer Transformation (eine mathematische Operation) zustandekommt. In Wirklichkeit arbeitet jeder Schallwandler im Zeitbereich. Das Eingangs-( Musik-)Signal ist eine zeitabhängige Größe, nämlich eine elektrische Spannung mit veränderlicher Amplitude, und der Lautsprecher reagiert darauf mit einer Membranbewegung, die ebenfalls eine Funktion der Zeit und im Idealfall exakt proportional zum Eingangssignal ist. Die Membran setzt die sie umgebende Luft in Schwingung, und diese Luftdruckschwingung erreicht schließlich unser Ohr. Erst im Gehirn findet die Umsetzung der zeitabhängigen Eingangsgröße in die Frequenzebene statt, so daß wir mit unserem Bewußtsein kein zeitlich veränderliches Signal, sondern eine Tonhöhe wahrnehmen.

Meßtechnische Annäherung

Die Meßtechnik nimmt diese Zeit-Frequenz- Transformation vorweg, um mit einem Frequenzgang eine Darstellungsart zu bieten, die unserer bewußten Hörempfindung entspricht: Aber diese Transformation beinhaltet einen Stolperstein: Ganz unterschiedliche Zeitfunktionen können zu ein und demselben Amplitudenfrequenzgang des Schalldruckpegels führen.

Nun leuchtet es unmittelbar ein, daß nur eine einzige zeitabhängige Signalform die richtige, dem originären Musikereignis entsprechende sein kann, während alle anderen Zeitfunktionen, die zum selben frequenzabhängigen Übertragungsverhalten führen, einen Fehler darstellen. Dies ist der Grund dafür, daß verschiedene Lautsprecher trotz identischem Schalldruck- Frequenzgang völlig unterschiedliche Höreindrücke hervorzubringen in der Lage sind.

Fehler konventioneller Mehrweg-Lautsprecher

Und viel schlimmer noch: Fast alle den Markt für Unterhaltungselektronik bevölkernden Lautsprecher besitzen – trotz in der Mehrzahl ordentlichem Frequenzgang – einen systemimmanenten Fehler; im Zeitbereich betrachtet, bieten sie ein Übertragungsverhalten, das das Eingangssignal (Stimulus) bis zur Unkenntlichkeit verzerrt. Deutlich macht das die Impulsmeßtechnik: Sie arbeitet mit einer Sprung- oder Dirac- (Einheitspuls-) Funktion. Welches dieser beiden Signale als Stimulus zum Einsatz kommt, liegt lediglich in der praktischen Durchführbarkeit begründet. Der Sprung besitzt einen größeren Energiegehalt als der Puls, womit sich ein größerer Signal- Rausch-Abstand einhalten läßt. Außerdem zeichnet sich die Sprungantwort im Vergleich zur Impulsantwort durch eine größere Anschaulichkeit aus. Beide Signalformen sind durch Integration bzw. Differentiation ineinander überführbar und besitzen daher exakt den gleichen Informationsgehalt.

In ihrer Charakteristik gleichen impulsförmige Meßsignale weitaus eher einem Musiksignal als sinusförmige Anregungen. Musik besteht nämlich praktisch ausschließlich aus Impulsen, deren Ein- und Ausschwingvorgänge für das typische Timbre von Musikinstrumenten wie auch von Stimmen verantwortlich sind. Impulse bieten daher – sowohl theoretisch nachvollziehbar, wie eingangs geschildert, als auch im praktischen Experiment nachgewiesen – das einzig geeignete Instrumentarium zur Beurteilung der Übertragungsqualität von Lautsprechern.

Die Anwendung der Impulsmeßtechnik auf verschiedene Lautsprecher offenbart ein grundsätzliches Fehlverhalten der meisten Schallwandler: Aus einer Anstiegsflanke des Eingangssignals generieren fast alle Lautsprecher mehrere Einschwingvorgänge in zeitlicher Abfolge. Dabei prescht der Hochtöner vor, während der langsamere Mitteltöner mit einigen hundert Mikrosekunden Verspätung folgt und der Tieftöner im Abstand von einer oder mehreren Millisekunden das Schlußlicht bildet.

Die Anwendung der Impulsmeßtechnik auf verschiedene Lautsprecher offenbart ein grundsätzliches Fehlverhalten der meisten Schallwandler: Aus einer Anstiegsflanke des Eingangssignals generieren fast alle Lautsprecher mehrere Einschwingvorgänge in zeitlicher Abfolge. Dabei prescht der Hochtöner vor, während der langsamere Mitteltöner mit einigen hundert Mikrosekunden Verspätung folgt und der Tieftöner im Abstand von einer oder mehreren Millisekunden das Schlußlicht bildet.

Bild 2. Das Sprungsignal besitzt eine unendlich steile Anstiegsflanke und bleibt ab diesem „Einschaltzeitpunkt“ konstant auf dem Wert „1“.
Bild 3. Ein idealer Lautsprecher, der das Übertragungsverhalten eines Bandpasses mit einer oberen und einer unteren Grenzfrequenz besitzt, überträgt das Sprungsignal mit einer möglichst steilen Anstiegsflanke und einem möglichst langsamen und gleichmäßigen Abfall. Die Anstiegszeit ist umgekehrt proportional zur oberen Grenzfrequenz, die Ausschwingdauer umgekehrt proportional zur unteren Grenzfrequenz.

Die evolutionäre
Bedeutung des Gehörs

Das Gehör erfährt durch diese Abfolge mehrerer Einschwingvorgänge eine Irritation; die räumlich stabile Ortung der ursprünglichen, bei der Reproduktion ja nur noch fiktiven Schallquellen gelingt ihm allenfalls unzureichend. Der Grund dafür liegt in der Evolutionsgeschichte des Gehörs: Ursprünglich diente es dem Menschen dazu, Gefahren wahrzunehmen und zu lokalisieren. Selbst kürzeste Geräusche, etwa eines brechenden Zweiges, sicher zu orten war einmal lebensnotwendig. Das Gehör ist, das zeigen wissenschaftliche Untersuchungen, in der Lage, zeitliche Abfolgen in der Größenordnung weniger Mikrosekunden aufzulösen. Die ersten Millisekunden eines Schallsignals dienen der Ortung und Erkennung eines akustischen Ereignisses. Die erste Wellenfront eines Schallereignisses löst dessen Identifikation aus. Das Einschwinggeräusch eines Lautsprechers löst dagegen gleich mehrere Erkennungsvorgänge aus, die sich gegen- seitig widersprechen und damit das räumliche Hören verwirren.

Optimales Impulsverhalten

Ein leider oft angewandtes, aber untaugliches Mittel zur Verbesserung des räumlichen Eindrucks bei der Musikwidergabe über Lautsprecher liegt in der Betonung des Hochtonbereichs. Diese Maßnahme verstärkt das Einschwinggeräusch des Hochtöners gegenüber denjenigen seiner langsameren Mitstreiter mit größeren Membranen. Allerdings verändert diese Maßnahme auch die Klangfarben, und der resultierende Klangeindruck wird als spitz, hart und unnatürlich beschrieben.

Bild 4. Reale, fehlerbehaftete Lautsprecher besitzen neben der systembedingten Anstiegs- und Ausschwingdauer weitere Ein und Ausschwingvorgänge, die sie dem Musiksignal willkürlich hinzufügen. Der Grund dafür: Jeder beteiligte Schallwandler, ob Hoch-, Mittel- oder Tieftöner, besitzt ein eigenes Ein- und Ausschwingen in zeitlicher Abfolge. Diese Dispersion (= zeitliches Auseinanderziehen) ist vergleichbar dem optischen Verhalten eines Prismas, das weißes Licht in seine Spektralfarben zerlegt. Wenngleich das weiße Licht und das Licht des Regenbogens die selben elektromagnetischen Schwingungen enthalten, wird niemand auf die Idee kommen zu behaupten, beides sei das Selbe. Zusätzlich sehen wir hier noch ein Überschwingen in den negativen Bereich durch Energie, die in Filtern höherer Ordnung oder in den Schallwandlern selbst gespeichert wird.
Bild 6. Ein weiteres Problem der meisten Lautsprecher: Für eine breitere Stereobasis im Raum und vom Lautsprecher „losgelösten“ Klang suchen die Entwickler Hoch- und Tieftöner mit möglichst breitem und gleichmäßigen Abstrahlverhalten. Da aber die Übergänge der Frequenzaufteilung nicht unendlich scharf bzw. die Filter nicht unendlich steil sein können, existiert ein Überlappungsbereich, in dem sich Auslöschungen durch gegenphasige Schallerzeugung der beteiligten Schallwandler ergeben können. Um dieses Phänomen zu unterbinden, wird einer der beteiligten Schallwandler umgepolt, in der abgebildeten Sprungantwort der Tieftöner. Was im Übernahmebereich die gewünschte Wirkung – Schalladdition statt der zuvor beobachteten Auslöschung – hervorruft, ist für den eigentlichen Übertragungsbereich des umgepolten Hochtöners schädlich: Bei einem Impuls schwingt die Hochtonmembran nach vorn, die des Tieftöners aber zurück. Wie kann das zu einer korrekten Wiedergabe führen? Das Gehirn improvisiert wohl und „sagt“ uns aus der Frequenzanalyse, was wahrscheinlich gemeint ist, aber das Original vermag es nicht wiederherzustellen.

Eine andere Strategie besteht in der gegenphasigen Polung von Hoch- und Tieftöner. Auf diese Weise versucht der Anwender die Sprungantwort zu glätten. In diesem Fall folgen eine positive Anstiegsflanke und eine negative abfallende Flanke aufeinander, was in der Summe aber keinen Vorteil bringt: Auf den kurzzeitigen Druckanstieg der Hochtönerflanke folgt ein durch den Tieftöner hervorgerufener Druckabfall, der den Ortungsmechanismus des Gehörs nur zusätzlich irritiert.

Bild 5. AEC-Lautsprecher besitzen keine Dispersion des Schalls: Ihre Sprungantwort gleicht weitestgehend dem Ideal.

Der richtige Weg liegt in der zeitlichen Anpassung der Einschwingabläufe aller beteiligten Schallwandler aneinander, so daß in der Summe ein einziger Einschwingvorgang resultiert. Diesen Weg beschreitet das AEC WTL-Design. Es zeigt ein Impulsverhalten, das dem Ideal nächstmöglich kommt. Daß dabei die tonale Ausgewogenheit, sprich ein linearer Schalldruck- Frequenzgang, nicht auf der Strecke bleibt, versteht sich von selbst. Der initiale Unterschied zu anderen Lautsprechern liegt aber im fehlerfreien Impuls-Übertragungsverhalten und der Bewahrung der originären Obertonstruktur im gesamten hörbaren Frequenzbereich.

Bild 7: ESS erhält die harmonische Struktur von komplexen Schallereignissen

Die Natur im Allgemeinen und Musik im Speziellen erzeugen keine reinen Sinuswellen; im Gegenteil: Jeder Klang besteht aus seiner Grundwelle und der Obertonstruktur. Für die fehlerfreie Wiedergabe dieses Klangs mittels eines Lautsprechers ist es unverzichtbar, diese Struktur sowohl in Bezug auf die Amplitude als auch auf die Phase zu erhalten.

Obertonstrukturen zeichnen sich durch große Komplexität aus. Sie umfassen den gesamten hörbaren Frequenzbereich von den tiefsten Bässen bis zur Grenze der Wahrnehmbarkeit und sogar darüber hinaus. Sie enthalten den Schlüssel zur Erkennung unterschiedlicher Geräusche, Musikinstrumente, Kindergeschrei, Schmerz und Freude. Das komplexe Frequenzgemisch jedes Klangs oder Geräuschs überstreicht auch den Übernahmebereich zwischen Hoch- und Tieftöner eines Lautsprechers und wird dabei in einen Hochton- und einen Tieftonteil aufgetrennt. Die Struktur der Grundwelle und Obertöne muß dabei erhalten bleiben, damit der Lautsprecher eine perfekte Wiedergabequalität erreichen kann.

Das AEC WTL-Design („Wave-Form Transient Linearity“) erhält die Obertonstruktur auf zwei Arten:

1. Tiefen und Höhen entstehen in einem einzigen virtuellen Punkt im Raum. Daher existieren anders als bei anderen Lautsprecher-Bauarten weder Zeit- noch Phasendifferenzen zwischen den Obertönen unter- und oberhalb der Trennfrequenz.

2. Das AEC WTL-Design erhält das Verhältnis der Amplituden von Grund- und Oberwellen exakt, und zwar sowohl senkrecht vor dem Lautsprecher als auch weitestgehend außerhalb der Symmetrieachse. In normalen Wohnräumen besteht der größte Anteil des vom menschlichen Gehör empfangenen Schalls aus Reflexionen, die der nicht in Richtung der Symmetrieachse abgestrahlte Schall auslöst. Die kugelförmige und auch außerhalb der Symmetrieachse gleichmäßige Schallabstrahlung des WTL-Designs stellt sicher, daß die reflektierte Schallenergie die gleiche Oberwellen-struktur wie der Direktschall besitzt.

Lineares Phasenverhalten

Die Phase ist vermutlich das am schwierigsten zu erklärende Phänomen in der Akustik. Andererseits ist die Auswirkung des Phasenverhaltens bzw. der unterschiedlichen Zeitverzögerung unterschiedlicher Frequenzen auf natürliche Klänge für jedermann leicht hörbar – dennoch haben auch Experten oft ebenso viele Schwierigkeiten, den Sachverhalt zu erklären wie Laien, ihn zu verstehen.

Um das Phänomen unterschiedlicher Phasenverhalten zu illustrieren, eignet sich am besten die Analogie zur optischen Wahrnehmung: Das Bild eines Zerrspiegels illustriert den Effekt starker Phasenverschiebungen und damit zeitlich über die Frequenzen verschobener Ton-Reproduktion sehr anschaulich.

Die meisten Lautsprecher teilen den hörbaren Frequenzbereich in zwei oder drei Teilbereiche auf, für deren Übertragung darauf spezialisierte Schallwandler – Tief-, Mittel- und Hochtöner – zuständig sind. Das AEC WTL-Design verwendet zwei Wandler, um die Zahl der Übernahmepunkte auf einen einzigen, die minimal mögliche Zahl, zu reduzieren. Beide Wandler müssen den Schall zur gleichen Zeit und am gleichen Ort erzeugen, andernfalls geht die originale Obertonstruktur verloren.

Lineares Phasenverhalten bedeutet, daß ein Lautsprecher für alle Frequenzen des hörbaren Frequenzbereichs die gleiche Zeitverzögerung darstellt. Nur dann kann er natürliche Klänge kompromißlos reproduzieren. Das AEC WTL-Design erfüllt diese Bedingung: Es besitzt ein lineares Phasenverhalten in seinem gesamten Übertragungsbereich. Siehe Bild 8 und 9.

Betrachten wir den Lautsprecher in der traditionellen Disziplin der Wiedergabe eines Sinustons, können wir folgendes feststellen: Für diese Schallwellen gibt es den Fachbegriff „Hüllkurve“, denn man kann solch eine Wellenform durch die Summe vieler verschiedener Schallwellen erzeugen.

Ein weiterer, außerordentlich interessanter Aspekt unserer Analyse ist die Bestimmung der Tonhöhe, der Frequenz der Halbwellen (Hüllkurven) der Schallantwort des Prüflings. Eine spezielle Zusatzsoftware unseres ATB Precision Meßsystems berechnet uns nach Anklicken der Nullpunkte einer Hüllkurve die aquivalente Frequenz, also die Tonhöhe dieser Wellenform.

Wir stellen mit großem Erstaunen fest: Keine Spur von unserem 3000 Hz-Ursprungssignal. Stattdessen hören wir Wellenformen mit deutlich höherer Frequenz. Und wie sieht dies für den wichtigen Bereich von 500 Hz bis 5 kHz aus?

Auf jeden Fall anders als unser Quellensignal! Folglich gibt es Erkennungs- und Kompensationsstreß für unser Gehirn und somit Hörermüdung.

Quo vadis high fidelity?

Viele weitere Analysen und daß es auch genauer geht, erfahren und erleben Sie mit dem AEC Air Motion Transformer.