DE3732985A1 - Mehrwege-dipol-schallwandler hoechster qualitaet nach dem prinzip der ineinander verschachtelten frequenzbereiche - Google Patents

Description

Zur höchstwertigen Wiedergabe eines Schallereignisses müssen unter anderem sämtliche linearen und nichtlinearen Verzerrungen eines Schallwandlers so weit wie möglich ausgeschaltet werden. Im Idealfall sollte ein Schall­ drucksignal produziert werden, das erstens völlig unver­ zerrt ist und zweitens in seinem zeitlichen Verlauf exakt dem Sollsignal entspricht.

Gegenwärtig ist kein breitbandig arbeitendes Schallwand­ lerprinzip bekannt, das diese Anforderungen befriedigend erfüllt. Daher versucht man, dem Ideal durch Mehrwege- Lautsprecher nahezukommen. Das bringt zwei fundamentale Probleme mit sich.

Zum einen erfolgt die Montage der für die verschiedenen Frequenzbereiche optimierten Lautsprecherchassis im all­ gemeinen übereinander oder nebeneinander. Unterschiedli­ che Frequenzkomponenten eines komplexen Ansteuersignals werden somit an völlig unterschiedlichen Orten abge­ strahlt. Dadurch bricht die räumliche Kohärenz des Schallsignals zusammen. Punktscharfe Ortung einer Schall­ quelle ist nicht mehr möglich. Statt dessen ergibt sich ein "räumlich verschmiertes Ortungsfeld" aus dem die Information "irgendwie wenig greifbar" zu stammen scheint.

Zum anderen werden bei Mehrwege-Lautsprechern zwingend frequenzselektive Netzwerke erforderlich, welche die kom­ plexen Frequenzgemische in ihre unterschiedlichen Fre­ quenzbereiche aufspalten und den geeigneten Lautsprecher­ chassis zuweisen. Die Auslegung derartiger "Frequenzwei­ chen" ist für das Gesamtsystem von entscheidender Bedeu­ tung. Kein gegenwärtig angewendetes Konzept kann strengen Maßstäben standhalten. Drastische Abweichungen zwischen rechnerisch zugrunde gelegter und akustisch tatsächlich erreichter Flankensteilheit, Nicht-Gleichphasigkeit im Übernahmebereich, erhebliche Gruppenlaufzeit-Sprünge mit­ ten im Hörbereich usw. werden allgemein hingenommen. So ergeben sich teils prinzipbedingt, teils als Artefakt unausgewogene Frequenzgänge, schräg zur Schallwand lie­ gende Abstrahlcharakteristiken, Zerstörungen der zeitli­ chen Kohärenz (also der Impulswiedergabe) und so fort.

Aus diesen und anderen Gründen wird zum einen immer wieder versucht, Schallstrahler zu realisieren, bei denen alle Frequenzen aus derselben Punktquelle zu stammen scheinen und zum anderen nach wie vor darum gestritten, welches Frequenzweichenkonzept das optimale sei.

Einen Schritt zur Punktquelle stellen echte Koaxial­ lautsprecher dar. Das sind Konstruktionen, bei denen eine große Baß-Mittelton-Membran im Gebiet des Polkerns mit einem Mittel-Hochton-Strahler versehen wird. Derartige Punktstrahler konnten sich jedoch u.a. deshalb nicht durchsetzen, weil die koaxiale Bauweise eine kompromiß­ lose Optimierung der einzelnen Chassis verhindert und weil wünschenswerte Ausführungen mit drei oder besser noch mehr Wegen praktisch völlig unrealisierbar werden.

Ein anderer Weg zum Punktstrahler wird durch einen Biege­ wellenwandler eingeschlagen (DE 22 36 374, DE 25 00 397 und DE 31 23 098). Dieses Wandlerprinzip weist auf Achse tatsächlich ein gutes Impulsverhalten auf. Es besitzt allerdings im Vergleich zu konventionellen Schallwandlern erhebliche Nachteile bezüglich Bündelungsgrad im Hochton­ bereich und bezüglich Klirrverhalten im unteren bis mitt­ leren Frequenzbereich.

Eine neuere Idee versucht, zwei Chassis über einen halb­ durchlässigen "akustischen Spiegel" virtuell an denselben Ort zu bringen. Dieses Verfahren bringt vor allem zwei Schwierigkeiten mit sich. Zum einen entstehen zahlreiche gebeugte Sekundärwellen, die klangverschleiernde "early reflections" hervorrufen. Zum zweiten sind Abschirmungs­ maßnahmen nötig, da der Hochtonschall nicht direkt, son­ dern nur gespiegelt wirksam werden darf. Solche Abschir­ mungen sind grundsätzlich nicht zufriedenstellend reali­ sierbar.

Die Aufgabe, einen Punktstrahler höchster Qualität herzu­ stellen, dessen prinzipielle Vorteile nicht in sonstigen Unzulänglichkeiten untergehen, muß aus den genannten und anderen Gründen als bisher ungelöst gelten.

Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung gelöst.

Teil der Erfindungsidee ist die Anwendung des Prinzips der ineinander verschachtelten Frequenzbereiche. Darunter ist zu verstehen, daß übliche, für ihren Frequenzbereich konsequent optimierte Lautsprecher­ chassis derart angeordnet werden, daß die Chassis des höchsten Frequenzbereiches von den Chassis des zweit­ höchsten Frequenzbereiches "umgeben" sind und diese Gesamtanordnung ihrerseits von den Chassis des dritt­ höchsten Frequenzbereiches "umgeben" ist und so fort.

In Bild 1 ist dieses am Beispiel eines 3-Wege-Systems veranschaulicht. Zentral werden die Höhen abgestrahlt, außen die Bässe und dazwischen die Mitten. Durch eine derartige Anordnung wird sichergestellt, daß alle Frequenzen exakt aus dem Zentrum zu kommen scheinen, da sie dort mittig geortet werden, ähnlich wie bei der Mitten-Ortung über eine Stereo-Anlage.

Eine Anordnung nach dem Prinzip der ineinander ver­ schachtelten Frequenzbereiche muß jedoch keinesfalls flächenhaft-ringförmig sein. Ganz hervorragend eignen sich weniger aufwendige, linienhaftere Realisierungen, denn auch hier werden virtuell alle Frequenzen vom Ort des höchstfrequenten Chassis abgestrahlt. Die Bilder 2a und 2b zeigen Beispiele für derartige Anordnungen mit 3 und 5 Kanälen.

Das Prinzip der ineinander verschachtelten Frequenz­ bereiche bietet allerdings nicht nur den Vorteil, einen Punktstrahler anzunähern, sondern bringt entscheidende weitere Vorzüge mit sich:

Hinsichtlich des Kompromisses zwischen Flankensteilheit und Phasendrehung im Summensignal stellen Frequenzweichen mit ungeradzahligen Vielfachen von 6 dB/Okt das Optimum dar. Die Weiche mit 6 dB/Okt nimmt dabei eine ganz her­ ausragende Sonderstellung ein. Als einziger Weichentyp ruft sie keinerlei Phasendrehung im Summensignal hervor. Nachteilig ist, daß ihre Abstrahlcharakteristik im Über­ nahmebereich prinzipbedingt schief zur Schallwand liegt (Neigung vom höherfrequenten Chassis weg zum tieferfre­ quenten hin). Die Weiche mit 18 dB/Okt erzeugt (bei alternierender Polung der Kanäle) eine relativ milde Phasendrehung im Summensignal, die etwa der einer Weiche von 12 dB/Okt entspricht, trotz 6 dB/Okt größerer Flan­ kensteilheit. Nachteilig ist jedoch auch hier, daß die Richtcharakteristik im Übernahmebereich prinzipbedingt schief zur Schallwand liegt.

Diese Schwäche beider Weichentypen wird durch das Prinzip der ineinander verschachtelten Frequenzbereiche besei­ tigt. Die Richtcharakteristik liegt damit auch für Fre­ quenzen im Übernahmebereich prinzipbedingt genau auf der Schallwandachse und ist prinzipbedingt sogar völlig sym­ metrisch zu dieser Achse. Dies bleibt selbst dann gültig, wenn durch Artefakte an Chassis oder Weiche ansonsten zusätzliche Schräglagen der Richtcharakteristik hervorge­ rufen würden. Ausgewogene Richtcharakteristiken sind eine wichtige Voraussetzung für verfärbungsfreie Lautsprecher­ wiedergabe.

Da die wesentlichen Frequenzbereiche von mindestens zwei Chassis verarbeitet werden, kann jedes einzelne Chassis kleiner ausgelegt werden. Dadurch ergeben sich erheblich weniger Partialschwingungsprobleme und deutlich breitere horizonzale Abstrahlcharakteristiken (bei vertikaler Chassisanordnung wie in Bild 2a und 2b). Ferner werden dadurch dichtere Chassismontagen möglich. Mit geschickten Anordnungen läßt sich so auch in vertikaler Richtung bis in den Mittel-Hochton-Bereich hinein sicherstellen, daß der Abstand zweier Chassis kleiner ist als die Hälfte der kürzesten von ihnen verarbeiteten Wellenlänge. Dies besagt, daß die Richtcharakteristik keine Nebenzipfel aufweist.

Abstrahlung tiefer Frequenzen führt im Hörraum zu Stehenden Wellen. Werden zur Abstrahlung mehrere Baß- Chassis verwendet, die untereinander Abstände in der Größenordnung der Hörraumdimensionen haben, ergibt sich im statistischen Mittel ein günstigeres Stehwellen­ verhältnis, also eine für alle Hörorte ähnlich gute Baßwiedergabe.

Durch Reflexionen an Boden, Decke und Wänden des Hörraumes produziert jedes Chassis Spiegelschallquellen. Am Hörort ergeben sich deshalb nach dem Primärschall zahlreiche "early reflections" und Echos. Erstere treffen innerhalb der ersten Millisekunden nach dem Primärschall ein und führen zu einer Irritation des Auditorischen Systems, wodurch die Ortbarkeit leidet und die "Natürlichkeit" der Wiedergabe in Mitleidenschaft gezogen wird. Bestückt man einen Kanal mit mehreren, räumlich geschickt verteilten Chassis, so erhält man statt einer großen "early reflection" mehrere, deutlich kleinere, die zeitlich gegeneinander versetzt sind. Solche sind für Ortbarkeit und "Natürlichkeit" erheblich weniger abträglich.

All die erwähnten Vorzüge stellen jedoch nur einen Teilschritt auf dem Weg zum "unüberhörbaren" Erfolg dar. Verknüpft man nämlich das Prinzip der ineinander verschachtelten Frequenzbereiche mit dem Prinzip des Dipolstrahlers, so werden Lautsprecherkonstruktionen möglich, deren klangliche Qualitäten prinzipbedingt jedes bisher bekannte Modell übertreffen.

Das Prinzip "Dipolstrahler" ist durch Literatur, Patente und zahlreiche kommerziell angebotene Lautsprechermodelle hinreichend bekannt. Vor allem Vollbereichs-Elektrostaten und Vollbereichs-Magnetostaten arbeiten praktisch aus­ schließlich nach diesem Prinzip. Beiden Wandlertypen wird immer wieder hervorragende Räumlichkeit und besonders transparente und "natürliche" Wiedergabe attestiert.

Im allgemeinen führt man das auf deren extrem leichte Folienmembranen zurück, durch die ein ausgezeichnetes Impulsverhalten ermöglicht werden soll. Zum einen ist es jedoch schon rein physikalisch falsch, von einer leichten Membran automatisch ein gutes Impulsverhalten zu erwar­ ten, denn die Formtreue eines Schalldrucksignals ist, vereinfacht ausgedrückt, proportional zur Formtreue der Membranbeschleunigung. Letztere kann für schwere Membra­ nen ebensogut gegeben sein wie für leichte. Zum anderen stellt sich bei Nachmessungen heraus, daß das Impulsver­ halten von Folienwandlern keineswegs auffallend gut, son­ dern eher schlecht ist. Der Grund ist darin zu suchen, daß deren Abmessungen im Vergleich zur abzustrahlenden Wellenlänge groß sind, in einer Dimension meistens sogar extrem groß. Dies führt zu ausgeprägten Interferenzen und entsprechend gestörtem Impulsverhalten.

Der entscheidende Grund für das hervorragende Klangver­ halten von Dipolstrahlern liegt vielmehr darin, daß seit­ lich zur Schallwand nahezu keine Abstrahlung erfolgt. Dadurch werden erstens kaum Reflexionen an den Seitenwän­ den und der Decke des Hörraumes hervorgerufen, zweitens kaum Stehwellen zwischen den Seitenwänden und zwischen Boden und Decke des Hörraumes angeregt und drittens ergibt sich für geschickt konstruierte Dipolstrahler ein Bündelungsmaß, das auffallend frequenzunabhängig ist. Der Dipolstrahler muß deshalb nicht, wie bei geschlossenen Boxen üblich, so ausgelegt werden, daß auf Achse zuviel an Höhen abgestrahlt wird, damit das Defizit an Höhen im Diffusschall einigermaßen aufgefangen wird. So kann der Dipolstrahler transparent und "natürlich" klingen, ohne auf Achse schrill zu wirken.

Eine Kombination von Dipolstrahler und ineinander ver­ schachtelten Frequenzbereichen vereinigt die Vorteile beider Prinzipien. So wird ein Schallwandler höchster Qualität realisierbar, der dennoch mit ganz handelsübli­ chen, für ihren Frequenzbereich optimierten, preiswerten dynamischen Lautsprecherchassis bestückt ist. Dabei arbeiten geeignete, hinten offene Baß-, Mittelton- und evtl. auch Hochtonchassis direkt als Dipolstrahler. Wer­ den hinten geschlossene Chassis, z.B. im Hochtonbereich, verwendet, so sind zur Realisierung des Dipoleffekts zwei zu verwenden, von denen eines nach vorne und eines (ver­ polt angeschlossen) nach hinten strahlt.

Elektrostaten und Magnetostaten lassen nur begrenzte Membranauslenkungen und entsprechend begrenzte Tiefstbaß­ pegel zu. Dieses Problem ergibt sich bei Anwendung großer Baßchassis mit leichter Membran und tiefliegender Reso­ nanzfrequenz nicht. Es bietet sich sogar an, bei genügend großer Tiefbaß-Membranfläche z.B. durch Entzerrungsnetz­ werke die untere Grenzfrequenz des Dipolstrahlers bis in die Gegend von 5 . . . 15 Hz zu verlagern. Dabei darf die scheinbare Resonanz kräftig überdämpft sein und der Fre­ quenzgang schon 1 . . . 3 Oktaven oberhalb von 5 . . . 15 Hz einen Abfall von ca. 3 . . . 6 dB/Okt aufweisen. Solche Abstimmungen ermöglichen aufgrund des ungewöhnlich guten Phasenganges im Tieftonbereich eine auffallend kontu­ rierte Baßwiedergabe. Selbst wuchtigste Tiefstbaß-Passa­ gen werden "dem akustischen Kurzschluß zum Trotz" beein­ druckend realistisch wiedergegeben.

Claims (9)

1. Mehrwege- Dipol- Schallwandler höchster Qualität, der im wesentlichen aus einer Schallwand besteht, in wel­ che handelsübliche, dynamische Chassis eingebaut sind, die entweder nach hinten offen sind und somit als Dipolstrahler wirken, oder aber hinten geschlossen sein können, wobei dann zwei Chassis "Rücken an Rüc­ ken" zu verwenden sind, von denen eines wie üblich nach vorne strahlt, das andere jedoch verpolt nach hinten, dadurch gekennzeichnet, daß das Prinzip der ineinander verschachtelten Frequenzbereiche zur Anwendung kommt, worunter zu verstehen ist, daß die Chassis des höch­ sten Frequenzbereiches von den Chassis des zweithöch­ sten Frequenzbereiches umgeben sind und diese Gesamt­ anordnung ihrerseits von den Chassis des dritthöch­ sten Frequenzbereiches umgeben ist und so fort.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Chassis der einzelnen Kanäle derart angeordnet sind, daß sich näherungsweise ein System konzentrischer Ringe ergibt, wobei die äußeren Ringe zunehmend tiefere Frequenzen abstrahlen.

3. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich zwei schmale Sektoren des konzentrischen Ringsystems tatsächlich mit Chassis besetzt sind, wobei sich diese Sektoren (bezogen auf das Zentrum) im wesentlichen diametral gegenüberliegen.

4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem Kanal, der im Zentrum die höchsten Frequenzen abstrahlt, alle Kanäle doppelt besetzt sind, wobei sich die beiden Kanalhälf­ ten (bezogen auf das Zentrum) im wesentlichen diame­ tral gegenüberliegen.

5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen linienhafte Anordnung der Chassis derart abgeändert wird, daß bezüglich Direktschall gleiche akustische Laufzeiten von jedem einzelnen Chassis zum Kopf des Hörers entstehen, was durch progressiven Versatz höherfrequenter Chassis nach hinten oder auch durch progressiven seitlichen Versatz höherfrequenter Chas­ sis nach links bei der linken Box, bzw. nach rechts bei der rechten Box geschehen kann.

6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Grenzfrequenz des tiefstfrequenten Kanales durch sehr tief abge­ stimmte Baßchassis oder durch aktive Entzerrungs­ netzwerke bis in den Bereich von etwa 5 . . . 15 Hz erniedrigt wird.

7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der Chassis schon 1 . . . 3 Oktaven oberhalb der unteren Grenzfrequenz des tiefstfrequenten Kanals ein Frequenzgangabfall von ca. 3 . . . 6 dB/Okt vorgesehen wird, der durch entspre­ chend ausgelegte Entzerrungsnetzwerke oder entspre­ chend geringe Güte der Eigenresonanz erreicht wird.

8. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prinzip der ineinander verschachtelten Frequenzbereiche bei tieferen Frequen­ zen aufgegeben wird und diese Frequenzen z.B. von einer separaten, seitlich angeordneten Tieftonsäule abgestrahlt werden.

9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Frequenzweichen mit 6 dB/Okt oder mit 18 dB/Okt zur Anwendung kommen.