DE3904943C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lautsprecheranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Lautsprecheranordnung ist aus der DE-PS 11 14 847 bekannt.

Stereoanlagen sollen zur Verbesserung des räumlichen Eindrucks bei der akustischen Wiedergabe von Tonsignalen beitragen.

Durch die links und rechts nebeneinander aufgestellten zwei Hauptlautsprecher einer Stereoanlage wird dem Hörer aber oft nur ein zweidimensionales Musikgeschehen angeboten, das sich auf Links-Rechts-Effekte zwischen den Lautsprechern beschränkt.

Weil diese Art der zweidimensionalen Musikwiedergabe von vielen konzerterfahrenen Hörern als unbefriedigend empfunden wird, wurden bereits spezielle, meist mehrkanalige Aufnahmeverfahren entwickelt, die in Verbindung mit speziellen, oft auch wieder mehrkanaligen Wiedergabeverfahren dieses Problem lösen sollten. Aber alle diese Verfahren, die Quadrofonie als das bekannteste von ihnen, konnten sich nicht durchsetzen.

Auch die Versuche, mit zwei Stereohauptlautsprechern in Wohn­ räumen zur verbesserten räumlichen Wiedergabe zu kommen, müssen als unbefriedigend bezeichnet werden.

Als bekannte Lautsprecheranordnungen mit rundumstrahlenden Zusatzlautsprechern für ein diffus-räumliches Klangbild sind zu nennen: Lautsprecher nach der GB 08 91 014, Lautsprecher nach der Beschreibung in ELO 1980 Heft 12 auf Seite 20 "Lautsprecherboxen mit Rundumabstrahlung" oder Lautsprecher nach dem dem Prospekt der Firma Bose GmbH, Bad Homburg, "Vom Lautsprecher zum Equalizer-Lautsprecher! Bose 901 Seire IV" aus dem Jahr 1979.

Diese Versuche laufen in der Regel darauf hinaus, den Direkt­ schall, der von den Hauptlautsprechern auf den Hörer gerichtet ist, zu verfälschen. Dadurch werden dem Hörer falsche, mit der Realität nicht übereinstimmende, künstliche Ortungen vorgegau­ kelt, die dann als Räumlichkeit bezeichnet werden.

Hörversuche in der Psychoakustik haben jedoch ergeben, daß eine hervorragende Akustik, die neben den präzisen Ortungsmöglich­ keiten der Schallquellen auch einen hervorragenden räumlichen Eindruck liefert, nicht zu vergleichen ist mit den Räumlichkeits­ verfahren, die nur darauf beruhen, dem Hörer die Ortungsmöglichkeit der Schallquellen zu nehmen.

Die Fehler, die den Direktschall von Hauptlautsprechern bei Stereoanlagen beeinträchtigen und zu falschen Ortungen führen, können technischer oder akustischer Natur sein.

Als die wesentlichsten Fehlerursachen sind die großen Membran­ flächen mancher Lautsprecher, die Phasenfehler der elektrodynamischen Lautsprecher und der Frequenzweichen zu nennen, sowie die Interferenzen, die sich zwischen nebeneinander angeord­ neten Lautsprecherchassis ergeben, wenn sie den gleichen Fre­ quenzbereich abstrahlen.

Zum Funktionsprinzip aller Lautsprecher gehört es, daß sie eine Membranfläche haben, die entsprechend den elektrischen Tonsig­ nalen in Bewegung versetzt wird. Dadurch werden die Luftmoleküle vor der Membran zum Mitschwingen angeregt. Die angeregte Schwingung wird von Luftmolekül zu Luftmolekül weitergeleitet und die Schallwelle breitet sich den physikalischen Daten des Mediums Luft entsprechend schnell aus. Die geometrische Schallverteilung im Raum, die Abstrahlcharakteristik, hängt von der Frequenz in Verbindung mit der Größe und der Form der schallabstrahlenden Fläche der Membran zusammen.

Der menschliche Hörbereich von ca. 16 bis 20 000 Hz ist enorm groß und umfaßt ca. 10 Oktaven. Die Wellenlänge bei 16 Hz beträgt ca. 20 m und bei 20 000 Hz ca. 1,6 cm.

Zur lautstarken Beschallung von normalen Wohnräumen von bis zu 100 qm müssen bereits ganz erhebliche Schalldruckleistungen er­ zeugt werden. Man benötigt dazu Lautsprecher, deren Membranfläche so groß werden muß, daß sie nicht mehr als klein zu bezeichnen ist im Verhältnis zu den Wellenlängen, die sie wiedergeben.

Für unterschiedlich große Membranflächen, die den gleichen Schalldruck erzeugen sollen, gilt die Regel, daß bei einer größe­ ren Membranfläche kleinere Membranauslenkungen notwendig werden als bei einer kleineren Membranfläche; umgekehrt gilt natürlich auch, daß bei einer kleineren Membranfläche größere Membranhübe zur Erzeugung der gleichen Lautstärke benötigt werden.

Kleinere Membranflächen lassen sich leichter formstabil ausführen, man kommt aber bei großen Pegeln durch die großen Hübe sehr schnell in den nicht mehr linearen Übertragungsbereich des Lautsprechers. Bei größeren Membranflächen kann dies zwar verhindert werden, jedoch bilden sich innerhalb großer Membranflächen sehr leicht Partialschwingungen aus, die einen hohen Klirrgrad bewirken. Außerdem läßt sich bei größeren Membranflächen der akustische Fehler der Richtwirkung in der Schallabstrahlung bei höheren Frequenzen nicht vermeiden. Dies geschieht dann, wenn die vom Lautsprecher abgestrahlte Wellenlänge groß wird im Verhältnis zu den Abmessungen der zugehörigen Membranfläche.

Die großflächigen elektrostatischen Lautsprecher werden oft bis zu 2 Meter hoch gebaut, damit sich der Zuhörer immer, im Stehen und im Sitzen, in der von der durchgehenden Membranfläche aus gerichtet abgestrahlten ebenen Wellenfront befindet. Bei solchen Lautsprechern läßt es sich jedoch nicht vermeiden, daß die wahrgenommenen Schallquellen, der großen Lautsprechermem­ branfläche entsprechend, breit auseinandergezogen werden. Der Mund eines Solisten wird z.B. als 2 m hoch und 2 m breit auseinan­ dergedehnt wahrgenommen. Punktförmige Schallquellen können mit großflächigen Lautsprechern bei der Wiedergabe nicht mehr punktförmig dargestellt werden.

Wenn elektrodynamische Bändchenlautsprecher oder sogenannte Mag­ netostaten auch mit 2 m Höhe gebaut werden, entstehen neben Feh­ lern, die durch die großen Abmessungen der Membranfläche ent­ stehen, auch noch die Phasenfehler der elektrodynamischen Wand­ ler. Diese Phasenfehler der Wandler wirken bei der Schallaus­ breitung des Direktschalls akustisch gesehen wie Laufzeitfehler. Deshalb werden die wahrnehmbaren Tonquellen nicht nur in der Größenabbildung, sondern auch noch im Eindruck der Hörentfernung verfälscht. Es entstehen also neben der falschen Größenabbildung der wiedergegebenen Schallquellen auch noch falsche räumliche Höreindrücke.

Wird eine einzige große durchgehende Membranfläche aufgeteilt in mehrere kleine Membranflächen einzelner Lautsprecherchassis mit endlichem Abstand zueinander, zerfällt die ebene Wellenfront. Meßtechnisch gesehen ergeben sich an verschiedenen Positionen im Hörraum kammfilterartige Überlagerungen und Auslöschungen im Frequenzband, sogenannte Interferenzen. Die Richtwirkung bei hohen Frequenzen nimmt auf der Achse im Zentrum des Lautsprechers noch weiter zu. Es entsteht der bei Lautsprecherzeilen bekannte Bündelungseffekt (Fig. 1, Fig. 2).

Dies geschieht insbesondere dann, wenn die Abstände zwischen den einzelnen Chassis, die den gleichen Frequenzbereich abstrahlen, groß werden im Verhältnis zur kleinsten übertragenen Wellenlänge und außerdem die Abmessungen der aus mehreren Einzelchassis zu­ sammengesetzten Membranfläche groß wird im Verhältnis zur Hörent­ fernung.

Akustisch gesehen wird der Direktschall verfälscht. Die Ver­ fälschung entsteht dadurch, daß die verschiedenen Schallanteile, die von verschiedenen Orten herkommen, erst durch ihre Überla­ gerung oder Auslöschung die Direktschallinformation bilden. Ge­ hörmäßig wird die Wahrnehmung der Einschwingvorgänge beeinträch­ tigt, die Ortung der Schallquellen verfälscht und Klangverfär­ bungen hervorgerufen.

Ganz besonders deutlich werden diese Fehler im Frequenzbereich von ca. 100 bis 2000 Hz vom menschlichen Gehör wahrgenommen. In diesem Frequenzbereich verteilt sich der Schall meist noch sehr gut kugelförmig im Hörraum, wenn er von einer einzigen und dabei noch relativ kleinen Membranfläche erzeugt wird, und ist deswegen besonders überlagerungsgefährdet. Strahlen in diesem Frequenzbereich mehrere, nebeneinander ange­ ordnete Lautsprecherchassis gleichzeitig Schall ab, ergeben sich unweigerlich die beschriebenen Fehler aus falschen Überlagerungen im Bereich des Direktschalls.

Dieser Fehler aus falschen Überlagerungen zweier Anteile des Direktschalls tritt deswegen auch bei allen Mehrwegelautsprechern auf, wenn die nebeneinander angeordneten Lautsprecherchassis auch nur in einem kleinen Übergangsbereich den gleichen Frequenzbe­ reich in die gleiche Richtung abstrahlen (Fig. 3). Dies gilt insbesondere auch für die im Oberbegriff benannte DE-PS 11 14 847.

Sogar wenn einzelne Lautsprecherchassis auf einer Kugel so ange­ ordnet werden, daß sie ein gemeinsames virtuelles Zentrum haben, lassen sich trotzdem die gleichen Fehler der falschen Überlage­ rungen der Frequenzanteile der einzelner Lautsprecherchassis im Hörraum auch nicht vermeiden (Fig. 4). Dies gilt insbesondere auch für die Lautsprecher nach dem Prospekt der Firma Bose GmbH.

Der gleiche Fehler, der sich aus zwei nebeneinander angeordneten Lautsprecherchassis ergibt, die den gleichen Frequenzbereich in die gleiche Richtung abstrahlen, kann sich sogar durch eine fal­ sche Lautsprecheraufstellung im Hörraum ergeben, wenn der Direkt­ schall zu schnell und aus der gleichen Richtung kommend von der ersten schallstarken Reflexion überlagert wird (Fig. 5).

Dies passiert vor allem bei den rundumabstrahlenden Lautsprechern oder den Dipolstrahlern. Nachweislich schaffen diese Raumstrahler bei der Aufstellung in Wohnräumen erhebliche akustische Probleme und sind in kleinen Wohnräumen, wegen dem erforderlichen Abstand von den Wänden, oft überhaupt nicht so aufzustellen, daß ein akustisch hochwertiger Klangeindruck entsteht.

Bei den Bemühungen um zu kleinen breitbandigen Punktstrahlern zu gelangen, sind zu nennen: Lautsprecher mit rotationssymmetrisch angeordneten Einzellautsprechern z. B. nach der DE 37 32 985, Koaxiallautsprecher z. B. nach der DE-OS 28 19 548 oder Breitbandchassis z. B. nach der DE 36 03 537.

Technisch nachweisbare Fehler entstehen aber nicht nur dadurch, daß die Membranflächen der Lautsprecher zu groß werden, durch nebeneinander angeordnete Einzellautsprecher oder durch die Plazierung von Raumstrahlern in kleinen Wohnräumen, sie ent­ stehen auch durch das elektrodynamische Wandlerprinzip.

Elektrodynamische Wandler haben aber ein ausgeprägtes, mit prin­ zipiellen Fehlern behaftetes Eigenverhalten. Dies wird offen­ sichtlich, wenn ein elektrodynamischer Lautsprecher an einen hochwertigen Verstärker angeschlossen wird, der selbst keinerlei Fehler im Übertragungsverhalten hat. Gegenüber dem elektrischen Eingangssignal produzieren die Lautsprecher akustische Fehler im Amplituden- und im Phasenfrequenzgang.

Eine wesentliche Fehlerquelle betrifft den Amplitudenfrequenz­ gang, der nur in einem Teilbereich linear verläuft. Am oberen und unteren Ende des Übertragungsbereichs fällt er stark ab, und bei der Resonanzfrequenz ergibt sich eine Überhöhung (Fig. 6).

Die andere wesentliche Fehlerquelle betrifft den Phasenfrequenz­ gang. Nur bei einer Frequenz stimmt die Phasenlage des anregenden Signals mit der Phasenlage der Membranbewegung überein. Bei höherer Frequenz eilt die Membranphase der Signalphase voraus, bei tieferen Frequenzen hinkt die Membranphase der elektrischen Signalphase hinterher (Fig. 7) .

Tonsignale, auf dem Oszilloskop betrachtet, werden deutlich sichtbar verfälscht. Wenn z.B. ein Tonburst auf den Wandler gegeben wird, zeigt sich, daß er zwar ohne Phasenverschiebung sofort zu schwingen beginnt, sich aber im Einschwingvorgang die der Frequenz entsprechende Phasenverschiebung vollzieht. In eingeschwungenem Zustand schwingt der Wandler phasenverschoben. Auch die richtigen Ampli­ tudenwerte werden erst nach dem Einschwingvorgang erreicht. Bei Signalende schwingt die Membrane nach (Fig. 8). Man erhält eine Klangverfälschung durch schlechtes Ein- und Ausschwingen des Lautsprechers.

Wenn man ein Rechtecksignal am Oszilloskop betrachtet, wird der vom Wandler erzeugte Fehler noch offensichtlicher. Rechtecksignale bestehen wie Musik aus Tongemischen. Beim Recht­ ecksignal ergibt sich die Rechteckform aus der richtigen Über­ lagerung aller Frequenzen, beim Musiksignal ergibt sich der Klang aus der richtigen Überlagerung von Grund- und Obertönen. Beim elektrodynamischen Wandler passiert es nun, daß die tief­ frequenten Schallanteile bis zu -180 Grad, die hochfrequenten Schallanteile bis zu +180 Grad gegeneinander phasenverschoben wiedergegeben werden. Das heißt, eine akustisch richtige Über­ lagerung der tief- und hochfrequenten Schallanteile ist prinzip­ bedingt nicht möglich und es lassen sich deswegen auch Klangver­ färbungen nicht vermeiden. Wie sehr das Rechteck bei der akustischen Wiedergabe verformt wird, ist in Fig. 9 dargestellt.

Je nachdem, wie groß beim dynamischen Wandler die Phasenver­ schiebungen der einzelnen Frequenzanteile sind, ergibt sich eine mehr oder weniger starke Verformung des Rechtecksignals.

Durch die Phasenfehler der elektrodynamischen Lautsprecher und der dadurch hervorgerufenen Beeinträchtigung der Information des Direktschalls entstehen aber nicht nur Klangverfärbungen, sondern es werden auch die für das menschliche Hören so wichtigen Einschwingvorgänge und Ortungswahrnehmungen verfälscht. Hörbar werden solche Phasenfehler vor allem bei Impulsen. Die einzelnen Impulsanteile des Hoch-, Mittel- und Tieftonbereichs werden durch die unterschiedliche Phasenlage dieser Frequenzen unterschiedlich zeitlich versetzt und treffen nacheinander beim Hörer ein. Die erste Wellenfront des Direktschalls wird zerstückelt!

Eine Phasenverschiebung von 90 Grad im Bereich von 100 Hz ist durchaus üblich. Die Wellenlänge bei 100 Hz beträgt 3,30 m, so daß die Phasenverschiebung von 90 Grad einer Laufzeitverzögerung in der Schallausbreitung des Direktschalls von 0,80 m Wegstrecke entspricht. Die tiefen Töne bei 100 Hz werden also gegenüber den höheren Frequenzen des gleichen Lautsprecherchassis so gehört, als kämen sie von einem Instrument, 0,80 m weiter entfernt steht. Daraus wird deutlich, daß die Phasenfehler der Lautsprecher einer Laufzeitverzögerung in der Schallausbreitung gleichzusetzen sind. Es entstehen deswegen nicht nur Klangverfärbungen, sondern auch Ortungsbeeinträchtigungen, die eine künstliche räumliche Tiefe bei der Wahrnehmung erzeugen. Die sich ergebenden Ortungen sind frequenzabhängig und wir hören, je nachdem welche Frequenz ein Musikinstrument oder eine Stimme gerade wiedergibt, die Instru­ mente oder Stimmen so, als wanderten sie ständig in einem be­ stimmten Bereich von vorne bis hinter dem Lautsprecher umher.

Die kleinen unwillkürlichen Kopfdrehungen, die wir Menschen zur unbewußten Ortungskontrolle immer durchführen, ergeben keine Verbesserung der Lokalisationsschärfe der wiedergegebenen Schall­ quellen, sondern führen im Gegenteil zu einer Störung in der Auswertung der wahrgenommenen akustischen Eindrücke.

Der künstlich erzeugte Räumlichkeitseindruck entsteht aber nur auf Kosten der Ortbarkeit und ist, weil ähnliche Eindrücke in der Natur nicht vorkommen, aufs erste, vor allem für den nicht kon­ zerterfahrenen Hörer, zuweilen durchaus beeindruckend. Wenn mit schlechten Lautsprecherchassis oder mit primitiven Filtern eine in der Aufnahme nicht vorhandene Räumlichkeit künstlich erzeugt wird, finden das viele Laien, aber auch manche HiFi-Fachleute ganz praktisch. Nur so ist es zu verstehen, daß einge Firmen immer wieder versucht haben, Phasenfehler bewußt für ihre Räum­ lichkeitsverfahren einzusetzen. Der ganze künstliche Raumklang beim heutigen Stereofernsehen lebt geradezu von Phasenfehlern. Wie anfechtbar jedoch dieser Weg ist, zeigt sich an dem immer deutlicheren Trend, bei hochwertigen HiFi-Geräten auf alle Klang­ regelnetzwerke mit Filtern zu verzichten, eben wegen der Phasen­ fehler, die sie erzeugen.

In diesem Zusammenhang soll ein Verfahren erwähnt werden, das einen punktförmig abstrahlenden Einzellautsprecher mit einer elektronischen Schaltung kombiniert, die seine Fehler im Schalldruckverlauf und im Phasengang korrigiert. Ein solcher Lautsprecher ist durch die DE 36 03 537 bekannt, ein elektronisches Fehlerkompensationsverfahren durch die DE 34 18 047. Das Verfahren wurde auch in ELO 1987 Heft 11 auf den Seiten 10 und 11 beschrieben.

Nicht berücksicht bei den bisherigen Beschreibungen der Phasen­ fehler ist, daß die Frequenzweichen bei Mehrwegelautsprechern auch beträchtliche Phasenfehler erzeugen, die ebenso als Signal­ verfälschung nachweisbar sind und die sich auch als akustische Beeinträchtigung gehörmäßig nachweisen lassen.

Die nur direkt abstrahlenden Hauptlautsprecher mit ihrem unter Wohnraumbedingungen unbefriedigendem räumlichen Klangeindruck schufen das Bedürfnis nach mehr und echter Räumlichkeit in der Musikwiedergabe. Einen Versuch, diesen Mangel auszugleichen, bilden die sogenannten Raumstrahler. Bei diesen Rund-, Senkrecht- oder Dipolstrahlern wird der Schall in einer Kugelwelle von vorne und hinten, von vorne und oben oder von allen Seiten der Box abgestrahlt.

Bekannt ist in diesem Zusammenhang auch die Kombination aus jeweils einem relativ kleinen breitbandigen Direktstrahler (was praktisch annähernd einem Punktstrahler entspricht) mit einer Anzahl von indirekt abstrahlenden Lautsprecherchassis derselben Bauform, die auch denselben Frequenzbereich abstrahlen. Dies ist aus dem bereits zitierten Prospekt der Firma Bose bekannt "Vom Lautsprecher zum Equalizer-Lautsprecher! Bose 901 Serie IV" aus dem Jahr 1979. Diese Lautsprecheranordnung wird ebenfalls mit einem besonderen "Equalizer" betrieben.

Der Nachteil von Raumstrahlern in kleineren Räumen, also Wohnräumen, ist, daß sie immer in Wand- oder Deckennähe stehen und deshalb den an die Wände abgestrahlten Schall zu schnell nach dem direkten Schall beim Hörer eintreffen lassen und somit nur ein diffuses Schallfeld erzeugen. Solche schnell eintreffenden Reflexionen machen es schwer, die Instrumente zu orten und die für die typischen Einschwingvorgänge zu erkennen. In normalen Wohnräumen, in Wandnähe aufgestellt, schaffen sie ein überräumliches, nicht mehr ortbares, undeutliches Klangbild. Leider verschweigen Schlagworte wie "Direkt-Indirektschall" als Verkaufsargument für direkt/indirekt abstrahlende HiFi-Boxen oft, daß es hunderte von Konzertsälen mit Direkt- und Indirektschall gibt, die miserabel klingen, und daß es daher nicht allein auf das mengenmäßige Verhältnis von Direkt- und Indirektschall ankommt, sondern auf die Berücksichtigung akustischer Grundregeln.

Auch die Direktstrahler erzeugen in den Wiedergaberäumen Indi­ rektschall. Aber diese ersten schallstarken Reflexionen treffen den Hörer von hinten und sind nicht in der Lage, den Raumein­ fallswinkel aufzuweiten und eine hochwertige Akustikempfindung zu ermöglichen.

Daß sich bei Raumstrahlern, die ja den Hörraum durchaus mit einbeziehen wollen, der Einfluß einer mehr oder minder gelungenen Boxenaufstellung, aber auch ein schlechter Hörraum stärker aus­ wirken als bei Direktstrahlern, ist auch klar. Die Aussage, Raumstrahler seien schwieriger aufzustellen als Direktstrahler, spiegelt deshalb nur die unbegriffene Reaktion auf die akustische Problematik von Wohnräumen wider.

Alle Räumlichkeitsverfahren erzeugen überhaupt nur zusätzliche Reflexionen und unterscheiden sich voneinander ebenso nur durch die unterschiedliche Art und Anzahl des Eintreffens dieser Reflexionen. Der Vorzug all dieser Verfahren ist, daß, wenn sie bei unräumlicher Links-Rechts-Stereophonie angewendet werden, es auf jeden Fall Versuche in die richtige Richtung sind. Denn jeder Schritt, der eine Räumlichkeit erzeugt, ganz egal wie, muß ja besser sein. Vor allem beim direkten Vergleich mit der unräumlichen Musikwiedergabe und dem Einschalten der zusätzlichen Lautsprecher oder des Räumlichkeitsverfahrens zeigen sich diese Vorzüge immer sehr deutlich. Daher kommt es auch, daß immer wieder neue Verfahren mit enormer Begeisterung beschrieben werden und subjektive Verbesserungen tatsächlich unabstreitbar sind. Trotzdem haben sich alle diese Verfahren nicht durchsetzen können, weil es einfach nicht genügt, irgendwo einen oder zwei zusätzliche Lautsprecher aufzustellen und zu glauben, damit schon ein neues Verfahren geschaffen zu haben.

Ganz grundsätzlich muß auch festgehalten werden, daß unbedingt zwischen Verfahren, die die Akustik verbessern wollen, und Effektverfahren unterschieden werden muß. Verfahren, die die Akustik verbessern wollen, müssen sich nach der Arbeitsweise des menschlichen Gehörs richten und nur wenige Reflexionen so eintreffen lassen, daß das Musikempfinden nicht halliger wird, sondern nur besser und auch Ortungsfehler vermie­ den werden. Verfahren für Effekte sind willkürlich, sie verlängern z.B. die Nachhallzeit und erzeugen Kirchenakustik oder Klangeffekte von hinten, rundherum oder sonst irgendwelche neuen Ortungsmöglich­ keiten.

Alle bisher aufgeführten Fehler wurden deshalb so ausführlich beschrieben, weil es bei dem Vorgang des menschlichen Hörens auf den Gesamteindruck ankommt, wie das menschliche Gehör

• a) den Direktschall,
• b) die ersten schallstarken Reflexionen und
• c) den Nachhall

miteinander verknüpft und wie diese Schallwellenanteile, die teilweise gar nicht direkt vom Lautsprecher kommen sondern durch die vorgegebenen akustischen Rahmenbedingungen von Wohnräumen be­ stimmt werden, im Hirn zu akustisch hochwertigen und echt räum­ lichen Gesamteindrücken verarbeitet werden.

Wird nur ein Punkt verfälscht, kann die perfekte Tonwiedergabe für das menschliche Gehör schon nicht mehr erreicht werden. Werden z.B. die Hauptlautsprecher zu großflächig realisiert, werden die Hauptlautsprecher im Frequenzbereich von 100 bis 2000 Hz nicht frequenz- und phasenkompensiert, werden zwei Lautspre­ cherchassis im Frequenzbereich zwischen 100 und 2000 Hz betrie­ ben, bündeln die Zusatzlautsprecher nicht und überlagern sich im örtlichen Hörbereich vor den Hauptlautsprechern mit diesen nicht richtig, werden die Zusatzlautsprecher im falschen Frequenzbe­ reich betrieben, werden die Zusatzlautsprecher falsch plaziert, treffen die ersten schallstarken Reflexionen falsch oder zu leise ein oder ist der diffuse Nachhall im Frequenzgang nicht ausge­ glichen, kann der optimale Gesamteindruck nicht mehr erreicht werden.

Dies war auch der wesentliche Fehler aller Verfahren, die sich nicht durchsetzen konnten, daß sie meistens weder die konkret vorgegeben akustischen Bedingungen der Hörräume, noch die Art und Weise berücksichtigten, wie das menschliche Gehör zu akustisch hochwertig empfundenen und echt räumlichen Klangeindrücken ge­ langt.

Der Erfindung liegt deswegen die Aufgabe zugrunde, eine Lautspre­ cheranordnung zur Verbesserung des akustischen Klangeindrucks in Wohnräumen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsarten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, daß handelsüb­ liche und preiswerte elektrodynamische Lautsprecherchassis ver­ wendet werden können, für die Zusatzlautsprecher können sogar relativ einfache Chassis eingesetzt werden.

Durch die Frequenz- und Phasenkompensation können sehr kleine Lautsprechergehäuse für die Hauptlautsprecher verwendet werden, ohne Klangeinbußen im unteren Frequenzbereich hinnehmen zu müs­ sen.

Alle bereits vorhandenen kleinen, breitbandig abstrahlenden Hauptlautsprecher können auch nachträglich frequenz- und phasen­ kompensiert, sowie nachträglich mit den Zusatzlautsprechern der erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung versehen werden.

Die Lautsprecherchassis der Zusatzlautsprecher können zum einen direkt am Gehäuse der Hauptlautsprecher befestigt werden (Fig. 10), zum anderen können sie auch in ein kleines separates Gehäuse eingebaut werden und sind dadurch auch getrennt von den Haupt­ lautsprechern im Hörraum aufstellbar (Fig. 11). Dadurch wird bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Lautspre­ cheranordnung höchste Flexibilität erreicht. In beiden Anwen­ dungsfällen ist der benötigte Platzbedarf jedoch sehr gering.

Bei getrennter räumlicher Ausführung der Zusatzlautsprecher im eigenen Gehäuse ergeben sich enorme Vorteile bei der Aufstellung der Haupt- und der Zusatzlautsprecher. Zum einen lassen sich die Hautlautsprecher leichter in kleinen Wohnräumen in eine vorhandene Wohnungseinrichtung integrieren, weil ihre Aufstellung nicht mehr so klangentscheidend ist, zum anderen können auch die sehr kleinen Zusatzlautsprecher leichter optimal aufgestellt und den akustischen Bedürfnissen entsprechend optimal eingestellt werden.

Wenn die Zusatzlautsprecher akustisch richtig plaziert werden, eignen sich die Hauptlautsprecher sogar zum Einbau in Möbel, Regale, Schränke (Fig. 12), Schrankwände, tragbare und stationäre Stereoanlagen oder auch in Fernsehgeräte (Fig. 13), ohne daß Klangverluste in Kauf genommen werden müssen. Das heißt, die Hauptlautsprecher müssen nicht mehr frei im Hörraum aufgestellt werden, um gut zu klingen, sie müssen auch nicht mehr im Hörraum herumgeschoben werden, um den Punkt zu finden an dem sie optimal klingen.

Die Optimierung der ersten schallstarken Reflexionen in Ver­ bindung mit den Hörraumbegrenzungen kann durch die Einstellung der Zusatzlautsprecher vollzogen werden, ohne daß der Hauptlaut­ sprecher in seiner Aufstellung oder in seinem Frequenzbereich für den Direktschall beeinflußt werden muß. Dies ist möglich, weil die Zusatzlautsprecher in bezug zu der Abstrahlrichtung der Hauptlautsprechern drehbar sind, ihre Laut­ stärke und sogar der Frequenzbereich, in dem sie betrieben wer­ den, ohne großen Aufwand getrennt von den Hauptlautsprechern einstellbar ist.

Gegenüber Raumstrahlern, die den gesamten Frequenzbereich gleich­ mäßig rundherum oder nach vorne und hinten abstrahlen, um räum­ liche Schalleindrücke hervorzurufen, bieten die erfindungsgemäßen Zusatzlautsprecher in Verbindung mit den Hauptlautsprechern den Vorteil, daß sie in jeder Richtung, je nach akustischem Bedarf, zu oder abgeschaltet werden können und die Raumanpassung nicht durch eine komplizierte Aufstellung der Hauptlautsprecher voll­ zogen werden muß, sondern durch einen leichten Einstellvorgang der Zusatzlautsprecher.

Als weiteren ganz wichtigen Vorteil bietet die erfindungsgemäße Lautsprecheranordnung die Verbesserung des Klangeindrucks von Stereoanlagen, nicht nur auf einen Hörplatz oder den Bereich des Stereodreiecks bezogen, sondern praktisch auf den gesamten Hör­ raum. Dies gilt für Hörräume bis zu 100 qm.

Zusätzlich bietet die erfindungsgemäße Lautsprecheranordnung auch die Möglichkeit, sogar in ganz kleinen Wohnräumen die bessere Akustik größerer Hörräume erzielen. Dies geschieht dadurch, daß die Zusatzlautsprecher einfach elektrich zeitverzögert betrieben werden und damit auch die akustischen Reflexionen von den Raumbe­ grenzungen, wie in größeren Räumen, zeitverzögert beim Hörer ein­ treffen. Wird das elektrische Signal der Zusatzlautsprecher über ein elek­ tronisches Nachhallgerät geleitet, läßt sich auch noch die Nach­ hallzeit beliebig einstellen, ohne den Direktschall von den Hauptlautsprechern zu verfälschen.

Auch der elektrische Anschluß der Zusatzlautsprecher parallel zu den Hauptlautsprechern ist höchst einfach. Den Zusatzlautspre­ chern wird nur ein elektisches Filter in der Art einer Frequenz­ weiche vorgeschaltet, das die Frequenzen unter 2000 Hz aus dem Gesamtsignal herausfiltert.

Fig. 1 zeigt das Richtdiagramm einer geraden Lautsprecherzeile aus sechs Lautsprecherchassis mit einem Abstand von λ/2.

Fig. 2 zeigt, wie sich aus nebeneinanderliegenden Lautsprecher­ chassis durch unterschiedliche Weglängen bis zum Punkt der Über­ lagerung Überhöhungen (+) und Auslöschungen (-) im Frequenzgang ergeben.

Fig. 3 zeigt ein typisches Richtdiagramm zweier nebeneinander angeordneter Lautsprecherchassis.

Fig. 4 zeigt, wie die Auslöschung und Überhöhung im Frequenzgang auch bei einer Anordnung der beiden Lautsprecherchassis auf einer Kugel auftreten können.

Fig. 5 zeigt, wie die Auslöschung und Überhöhung im Frequenzgang auch bei einer Lautsprecheraufstellung vorkommen kann, die zu nahe an den Wänden des Hörraums erfolgte.

Fig. 6 zeigt den Amplitudenfrequenzgang

• a) elektrisch an einem Verstärker
• b) akustisch an einem Breitbandlautsprecher.

Fig. 7 zeigt den Phasenfrequenzgang

• a) elektrisch an einem Verstärker
• b) akustisch an einem Breitbandlautsprecher.

Fig. 8 zeigt ein Tonburstsignal bei 100 Hz

• a) elektrisch an einem Verstärker (oben)
• b) akustisch an einem unkompensierten Breitbandlautsprecher (unten).

Beim akustischen Signal ist beim Signalbeginn keine Phasenver­ schiebung erkennbar, nach dem Einschwingvorgang beträgt die Pha­ senverschiebung ca. 90 Grad.

Fig. 9 zeigt ein Rechtecksignal bei 150 Hz

• a) elektrisch am Verstärker (oben)
• b) akustisch am Lautsprecher, der nicht frequenz- und phasen­ kompensiert ist (unten).

Fig. 10 zeigt eine Ausführung eines Hauptlautsprechers mit den Zusatzlautsprecherchassis am Gehäuse des Hauptlautsprechers.

Fig. 11 zeigt eine Ausführung, wobei Haupt- und Zusatzlautspre­ cher jeweils in eigenen und getrennten Gehäusen untergebracht sind.

Fig. 12 zeigt einen in eine Schrankwand bündig mit der Vorder­ front eingebauten Hauptlautsprecher mit einem über die Vorder­ seite der Schrankwand vorstehendem Gehäuse eines Zusatzlautspre­ chers.

Fig. 13 zeigt die Anordnung von Haupt- und Zusatzlautsprecher­ chassis bei einem Fernsehgerät.

In den Figuren sind gleiche bzw. einander entsprechende, an sich bekannte Elemente oder Größen mit gleichen Bezugszeichen verse­ hen. Diese Bezeichnungen bedeuten:
1 Abstrahlung vom Hauptlautsprecherchassis, 2 Abstrahlung vom Zusatzlautsprecherchassis, 3 Gehäuse des Hauptlautsprechers, 4 Gehäuse des Zusatzlautsprechers, 5 Schrankwand, 6 Fernsehgerät.

Um den Bereich des Direktschalls zu perfektionieren, kann bei einem Hauptlautsprecher mit einer kleinen Membranfläche, der als breitbandig übertragende punktschallquelle dient, beispielsweise die Erfindung nach dem Deutschen Patent DE 34 18 047, zur Fre­ quenz- und Phasenkompensation benutzt werden. Außerdem können die Fehler einer Frequenzweiche beispielsweise nach dem Deutschen Patent DE 33 04 402 verhindert werden.

Hauptlautsprecher mit kleiner Membranfläche, die als breitbandig übertragende Punktschallquellen dienen, können beispielsweise Koaxiallautsprecher sein, deren Chassis axialsymmetrisch ange­ ordnet sind.

Auch herkömmliche runde oder ovale Breitbandlautsprecher mit direkter Koppelung des äußeren Membranteils an den Schwingspulen­ träger lassen sich relativ gut frequenz- und phasenkompensieren und sind trotz ihrer Schallbündelung im Hochtonbereich und trotz ihres hohen Klirrfaktors verwendbar.

Durch die Verwendung des Breitbandlautsprechers nach dem Deut­ schen Patent DE 36 03 357, dessen Membranfläche in Teilflächen für verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt ist, der nur eine Schwingspule hat und mit einer relativ kleinen Membranfläche zur punktförmigen Abstrahlung des ganzen Frequenzbereichs dient, können auch noch die Fehler der herkömmlichen Breitbandlautspre­ cher verhindert werden, sowie auch die Fehler der Koaxiallaut­ sprecher, die sich bei der Überlagerung der Teilfrequenzbereiche in der Hüllkurve ergeben.

Da bei Koaxiallautsprechern zwei Teilfrequenzlautsprecherchassis starr miteinander verbunden sind, wird keine Bewegung der Nullage des Hochtöners gegenüber der Nullage des Tieftöners zugelassen. Die richtige Überlagerung in der Hüllkurve kann sich jedoch nur ergeben, wenn sich die kleinen Schwingungen des Hochtonbereichs im Ausschwingvorgang mit den größeren Schwingungen des Tieftonbe­ reichs richtig überlagern können.

Wenn diese Lautsprecher mit relativ kleinen Membranflächen den durch die Entzerrung vorgegebenen Frequenzbereich von 20 bis 20 000 Hz mit extrem großen Pegeln übertragen müssen, kann es vorkommen, daß die Membranhübe bei den tiefsten Frequenzen so groß werden, daß der Dopplereffekt hörbar wird.

In diesem Fall kann durch die Wahl einer anderen Entzerrung, die im Baß nicht so tief hinunterreicht, der Membranhub verkleinert werden. Soll trotzdem der absolute Tieftonbereich mit hohen Pe­ geln wiedergegeben werden, kann man einen Subwoofer benutzen, der die ganz tiefen Frequenzen mit den großen Membranauslenkungen übernimmt.

Der Übertragungsbereich des Subwoofers soll von 20 bis 100 Hz gehen und dabei die Grenze von 100 Hz nicht überschreiten.

Von Bedeutung beim Einsatz eines Subwoofers ist es jedoch, daß die beiden breitbandig übertragenden Hauptlautsprecher nicht mit einer Frequenzweiche betrieben werden, die den Frequenzbereich des Subwoofers von ihnen fernhält, sondern daß sie mit der Ent­ zerrschaltung bis zur Übernahmefrequenz des Subwoofers frequenz- und phasenkompensiert werden. Durch die geeignete Wahl der Ent­ zerrung und die Verwendung eines kleinen Lautsprechergehäuses kann der Tieftonbereich unter 100 Hz dann sehr stark abgedämpft werden und tritt akustisch nicht mehr in Erscheinung.

Als wirklich technisch perfekte Hauptlautsprecher zur fehler­ losen akustischen Übertragung des Direktschalls kommen, wie be­ schrieben, nur die bekannten elektrodynamischen Breitbandlautspre­ cher nach dem Deutschen Patent DE 36 03 357 in Betracht, die z.B. nach dem Deutschen Patent DE 34 18 047 frequenz- und phasen­ kompensiert werden und einen breitbandigen Frequenzbereich ver­ zerrungsarm, ohne akustische Bündelungseffekte und ohne den Ge­ brauch einer Frequenzweiche übertragen können.

Hat man auf diese Weise die wirklich technisch perfekte Wieder­ gabe des Direktschalls von den Lautsprechern erreicht, läßt sich leicht feststellen, daß trotzdem die akustisch hochwertige Wie­ dergabe in Hörräumen damit noch nicht erreicht ist.

Wenn ein Hörer mit solch technisch perfekten Lautsprechern einer Stereoanlage Musik hört, jedoch die ersten schallstarken Refle­ xionen und der Nachhall aus dem Hörraum zu leise sind, ganz fehlen oder akustisch falsch eintreffen, ist sein Gehör überwie­ gend auf die Auswertung des Direktschalls von den Lautsprechern angewiesen. In diesem Fall führen schon die kleinsten seitlichen Kopfbewegungen oder Kopfdrehungen zu ganz ausgesprochenen und deutlich wahrnehmbaren Ortungsveränderungen der Schallquellen.

Je perfekter nämlich der Direktschall durch die Frequenz- und Phasenkompensation in Verbindung mit der Punktschallquelle wie­ dergeben werden kann, desto genauer ist die durch kleine Kopf­ bewegungen nachvollziehbare Lokalisationsschärfe zur Ortung von Schallquellen.

Im Gegensatz zu einem durch Phasen- oder andere Fehler ver­ fälschten Direktschallsignal, bei dem überhaupt keine präzisen Ortungen mehr nachvollzogen werden können, sind die Ortungen übertrieben genau nachvollziehbar.

Vergleichbar aus dem optischen Bereich bei der Bildwiedergabe ist es, wenn zum einen bei einem unscharfen Bild überhaupt keine präzisen Konturen mehr wahrgenommen werden können oder zum ande­ ren, wenn die Konturen übertrieben genau, wie mit einer Lupe, nachvollziehbar sind.

Hier setzt die besondere Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Zusatzlautsprecher in Verbindung mit den Hauptlautsprechern ein.

Entscheidend für die Funktion der Zusatzlautsprecher ist, daß das menschliche Gehör den Direktschall, der von den Hauptlautspre­ chern kommt, nur zur Ortung der Schallquellen auswertet, aber nicht für die wahrnehmbare Klangqualität. Die Klangqualität selbst wird gar nicht von den Schallanteilen bestimmt, die direkt von Lautsprechern kommend beim Hörer eintreffen, sondern von den Reflexionen, die aus dem Hörraum kommend zeitlich nach dem Direktschall beim Hörer eintreffen.

Damit der menschliche Hörer einen akustisch hochwertigen und echt räumlichen Klangeindruck gewinnen kann, muß eine hochwertige Stereoanlage so beschaffen sein, daß den Hörer immer zuerst

• 1. der unverfälschte Direktschall von den Lautsprechern,
• 2. dann die ersten schallstarken Reflexionen von den Raumbegren­ zungen
• 3. und dann der ungerichtete Nachhall von überall her aus dem Hörraum erreicht.

Der Direktschall wird vom Gehör nur zur Ortung und zur Erkennung der Schallquellen ausgewertet. Die ersten schallstarken Reflexionen prägen durch ihr räumliches und zeitliches Eintreffen die wahrgenommene Akustikempfindung und den räumlichen Eindruck am stärksten. Der Nachhall als Häufung der Reflexionen bildet sehr diffuse Schallfelder, deren Schalldruckpegel jedoch rasch absinkt und die Nachhallzeit bestimmt.

Die ersten schallstarken Reflexionen werden in einer Art von Integrationsprozeß dem direkten Schall zugeordnet und lautstärke­ mäßig aufaddiert. Sie bewirken, daß der Direktschall lauter und deutlicher wahrgenommen wird, und vermitteln, wenn sie auch noch räumlich richtig beim Hörer eintreffen, gleichzeitig ein ange­ nehmes räumliches Hören.

Der wichtigste Einfluß bei der Wahrnehmung einer guten Akustik und eines hochwertigen räumlichen Eindrucks ist deswegen die Wirkungsweise der ersten schallstarken Reflexionen beim Vorgang des menschlichen Hörens.

Allein durch das Verändern der Einfallsrichtung und des zeit­ lichen Eintreffens der "ersten schallstarken Reflexionen" läßt sich die Akustikempfindung beliebig beeinflussen. Übertragen auf die Praxis heißt das: In jedem beliebigen Hörraum kann mit akustischen oder mit elektronischen Mitteln die wahr­ genommene akustische Qualität optimiert werden.

Beste akustische Qualität erzeugen die ersten schallstarken Re­ flexionen dann, wenn

• a) ihre Zeitverzögerung gegenüber dem Direktschall mindestens 3-5 ms und maximal 20-50 ms beträgt (ms Millisekunde entspricht 1/1000 Sekunde),
• b) ihre Schallintensität gegenüber dem Direktschall noch sehr groß ist,
• c) ihre Einfallsrichtung möglichst deutlich von der Einfalls­ richtung des Direktschalls abweicht und
• d) ihre Reflexionswinkel an den Wänden vorzugsweise 90 Grad be­ tragen.

Eine minimale Zeitverzögerung ist notwendig, damit vom Gehör der unverfälschte Direktschall und die Einschwingvorgänge präzise wahrgenommen werden können, eine maximale Zeitverzögerung ist notwendig, damit man kein Echo hört. Die Schallintensität der ersten schallstarken Reflexionen muß groß sein, damit man insge­ samt gesehen ein deutliches und räumliches Klangbild erreicht. Die Einfallsrichtung der ersten schallstarken Reflexionen muß möglichst deutlich von der Einfallsrichtung des Direktschalls abweichen, damit nicht schon die Direktschallinformation mit der ersten schallstarken Reflexion überlagert und verfälscht wird.

Die Wirkungsweise der ersten schallstarken Reflexionen gilt für das menschliche Hören ganz allgemein. Sie sind der Schlüssel, mit dessen Hilfe sich heute alle berühmten und früher nicht verstan­ denen Akustikphänomene in antiken Amphitheatern oder Konzertsälen erklären lassen.

Durch die erfindungsgemäße Lautsprecheranordnung werden erstmals alle bei der Lautsprecherwiedergabe in Wohnräumen für das mensch­ liche Hören vorgegebenen Randbedingungen berücksichtigt.

Zum besseren Verständnis sei hier ein Vergleich aus der Mathema­ tik aufgeführt, wo sich bei den komplexen Differentialgleichungen die optimale Lösung auch nur unter Berücksichtigung aller spezi­ ellen vorgegebenen Randbedingungen finden läßt.

Die Randbedingungen zur Erzielung der optimalen Hörempfindung sind aber

• 1. die akustischen Randbedingungen der Wohnräume mit ihren Begrenzungen als Schallreflektoren,
• 2. die Art und Weise, wie das menschliche Gehör Schallwellen zu akustisch hochwertigen und echt räumlichen Gesamteindrücken verarbeitet.

Da genau diese Randbedingungen bei der Verwendung der erfin­ dungsgemäßen Lautsprecheranordnung berücksichtigt werden, läßt sich auch verstehen, daß erst durch Berücksichtigung aller Fakto­ ren, die einen Einfluß auf die akustische Wahrnehmung haben, das optimale Gesamtergebnis erzielt werden kann.

Auch hier wieder ein Vergleich aus der Optik und der Bildwahr­ nehmung: Über die wahrgenommene Qualität eines dreidimensionalen Bildes entscheidet die Schärfe der Konturenabbildung, die rich­ tige Wiedergabe des räumlichen Eindrucks und das Ausreichen der Hellkeit als diffusen Lichtanteils. Auch hier gilt: nur wenn alle Faktoren richtig berücksichtigt werden, die einen Einfluß auf die optische Wahrnehmung haben, kann das optimale Gesamtergebnis erzielt werden.

Auf den Bereich der akustischen Wahrnehmung übertragen heißt dies: der Hauptlautsprecher muß den Direktschall unverfälscht wiedergeben, die gute Akustik und der räumliche Eindruck ent­ steht erst durch die ersten schallstarken Reflexionen, die mit den erfindungsgemäßen Zusatzlautsprechern in Verbindung mit den Hörraumbegrenzungen nach psychoakustischen Gesichtspunkten er­ zeugt werden, sowie durch die Nachbildung eines im ganzen Fre­ quenzbereich ausgeglichenen diffusen Nachhallfelds im Hörraum.

Aus dem Sinnzusammenhang ergibt sich, daß die seitlich abstrah­ lenden Zusatzlautsprecher auf seitliche, oben oder unten liegende oder sogar auf rückwärts liegende Hörraumbegrenzungen gerichtet sein können, die als akustische Reflektoren wirken, um die er­ sten schallstarken Reflexionen zu erzeugen.

Damit die seitlich angeordneten Zusatzlautsprecher nicht den Direktschall der Hauptlautsprecher im örtlichen Hörbereich vor den Hauptlautsprechern verfälschen, sind drei Kriterien von ganz besonderer Bedeutung:

• 1. die Wahl der Abstrahlrichtung
• 2. die Wahl des Frequenzbereichs der Zusatzlautsprecher und
• 3. die Membrangröße der Zusatzlautsprecher.

Durch die Wahl des Frequenzbereichs der Zusatzlautsprecher wird verhindert, daß sie in dem Frequenzbereich Schall abstrahlen, in dem das menschliche Gehör laufzeitmäßige Ortungen nachvollziehen kann und Phasenfehler hörbar sind. Durch die Membrangröße wird die Richtwirkung bei der Schallab­ strahlung der Zusatzlautsprecher vorgegeben und in Verbindung mit der Wahl der Abstrahlrichtung der örtliche Bereich festgelegt, im dem sich die Schallfelder der Hauptlautsprecher und der Zusatzlautsprecher überlagern können.

Die Ortung beim menschlichen Hören erfolgt durch die beidohrige Auswertung der Frequenzen in Verbindung mit den an beiden Ohren wahrnehmbaren Pegelunterschieden.

Durch den Ohrabstand von ca. 18 bis 20 cm wird vorgegeben, daß die laufzeitmäßige Ortung von Schallquellen nur in dem Frequenz­ bereich von ca. 100 bis ca. 2000 Hz erfolgen kann. Auch Phasen­ fehler sind vorwiegend nur in diesem Frequenzbereich hörbar und führen zu den beschriebenen Ortungsbeeinträchtigungen.

Bei 100 Hz beträgt die Wellenlänge 3 m, bei 2000 Hz 16 cm. Der Bereich mit längeren Wellenlängen als 3 Metern ist der Tief­ tonbereich unter 100 Hz, der Bereich der Wellenlängen über 16 cm ist der Hochtonbereich über 2000 Hz.

Werden die Wellenlängen größer als 3 m, wird der Unterschied bei der gleichen Schallwelle im Abstand von 18 cm zu klein, um noch vom Gehör ausgewertet werden zu können. Es ist weder eine lauf­ zeitmäßige, noch eine Intensitätsmäßige Ortung unter 100 Hz mög­ lich. Dies ist bekannt und wird bei dem Gebrauch von Subwoofern genutzt.

Wird die Wellenlänge kleiner als 16 cm, läßt sich nicht mehr eindeutig definieren, ob sich eine, zwei oder mehr ganze Wellen­ längen zwischen beiden Ohren befinden, und deswegen erfolgt die Ortung nicht mehr laufzeitmäßig, sondern rein intensitätsmäßig. Phasenfehler in diesem Frequenzbereich führen nicht mehr zu Fehl­ ortungen.

Aber auch bei Frequenzgemischen, die ausschließlich Frequenzen über 2000 Hz enthalten, können unter Umständen laufzeitmäßige Ortungen ermöglicht werden. Dies ist dann möglich, wenn sich die kurzen Wellen zu langwelligen Hüllkurven überlagern. Es wird dann vom Gehör nicht die Wellenlänge der einzelnen Frequenzen, sondern die der überlagerten Hüllkurve ausgewertet.

Der Frequenzbereich der seitlich abstrahlenden Zusatzlautsprecher muß demnach auf jeden Fall über 2000 Hz liegen und die Abstrahl­ charakteristik so gewählt werden, daß sie sich möglichst wenig mit dem Frontschall der Hauptlautsprecher im örtlichen Hörbereich vor den Hauptlautsprechern überlagern.

Für diese Überlagerung gelten die von dem Psychoakustiker Haas ermittelten und nach ihm benannten Zusammenhänge zwischen den Pegeln zweier zeitlich nacheinander eintreffenden gleichen Sig­ nale. Demnach kann im Frequenzbereich über 2000 Hz der Pegel der Zusatzlautsprecher durchaus gleich oder sogar lauter sein als der Pegel der Hauptlautsprecher ohne im örtlichen Hörbereich vor den Hauptlautsprechern eigenständig in Erscheinung zu treten.

Die seitlich, nach oben und unten abstrahlenden Zusatzlautspre­ cher im Frequenzbereich von über 2000 Hz sollen ausschließlich die ersten schallstarken Reflexionen und den diffusen Nachhall erzeugen, die den Hörer zeitverzögert über die seitlichen Wände, den Boden oder über die Zimmerdecke erreichen.

Damit ist gewährleistet, daß im Frequenzbereich von 100 bis 2000 Hz die laufzeitmäßige Ortung von den Hauptlautsprechern auf kei­ nen Fall beeinträchtigt wird und sich auch im Frequenzbereich über 2000 Hz die intensitätsmäßige Ortung zwischen den beiden Hauptlautsprechern unabhängig von der Hörposition nicht verän­ dert.

Der Frequenzbereich der Zusatzlautsprecher von über 2000 Hz ist in Wohnräumen von besonderer Bedeutung, weil genau dieser Bereich durch die Einrichtungsgegenstände besonders stark bedämpft wird.

In diesem Zusammenhang kann auch die Abstrahlrichtung der Zusatz­ lautsprecher eine Rolle spielen: Bei seitlicher Abstrahlung kann der Schall auf stark absorbierende Vorhänge treffen. Bei Ab­ strahlung nach unten kann ein Teppich die Wirksamkeit vermindern. Nur bei der Abstrahlung nach oben, an die Decke, kann man fast immer mit idealen Reflexionsflächen rechnen.

Eine gleichzeitige Abstrahlung von verschiedenen Zusatzlautspre­ cherchassis nach möglichst vielen Richtungen ist deswegen anzu­ streben. Dabei sollten sich aber die Abstrahlrichtungen der Zu­ satzlautsprecherchassis untereinander auch wieder deutlich von­ einander unterscheiden. Vorzugsweise sollen die Achsen der Abstrahlrichtung der Zusatz­ lautsprecherchassis untereinander und auch zur nach vorne ge­ richteten Achse der Abstrahlrichtung der Hauptlautsprecher senk­ recht stehen.

Es soll jeweils nur ein Zusatzlautsprecherchassis je seitlicher Abstrahlrichtung verwendet werden. Werden mehr als ein Zusatzlautsprecherchassis so angeordnet, daß sie in die gleiche Richtung strahlen, wird zwar die akustische Richtwirkung erhöht, aber es bilden sich auch wieder die im vorgenannten Text beschriebenen Interferenzen durch falsche Über­ lagerungen zwischen den beiden Schallquellen aus.

Auch die Einstellbarkeit der Zusatzlautsprecher

• 1. in der Abstrahlrichtung
• 2. in dem abgestrahlten Frequenzbereich und
• 3. im Lautstärkepegel

ist von großer Bedeutung.

Auf diese Art und Weise können die ersten schallstarken Refle­ xionen und der diffuse Nachhall im Hörraum selektiv nachjustiert werden, ohne daß dabei die Direktschallinformation beeinträchtigt werden muß.

Werden, z.B. in stark bedämpften Räumen, die hohen Frequenzen bei den ersten schallstarken Reflexionen und im Nachhall zu stark weggedämpft, werden sie bis heute im Bereich des Direktschalls der Hauptlautsprecher einfach stärker angehoben. Damit läßt es sich aber nicht vermeiden, daß der Hauptlautsprecher, vor allem im Nahbereich, überzogene Höhen hat und sehr schnell agressiv klingt.

Die seitlich abstrahlenden Zusatzlautsprecher müssen auf jeden Fall in der Nähe der Hauptlautsprecher plaziert werden, sie können sogar direkt am Lautsprechergehäuse der Hauptlautsprecher angebracht werden (Fig. 10). Es ist nicht erforderlich, daß sie zusammen mit den Hauptlautsprechern ein sogenanntes virtuelles akustisches Zentrum bilden.

Die Lautsprecherchassis des Zusatzlautsprechers können auch in ein kleines separates Gehäuse eingebaut werden, das dann auf oder neben den Hauptlautsprecher gestellt wird (Fig. 11). Das Gehäuse des Zusatzlautsprechers kann auch länglich geformt sein, um in eingebautem Zustand aus einer Schrankwand oder aus einem Regal hervorragen zu können (Fig. 12). Dies ist dann ange­ bracht, wenn die Hauptlautsprecher mit der Vorderfront bündig in eine Schrankwand oder ein Regal eingebaut werden und trotzdem die seitlichen ersten schallstarken Reflexionen mit Hilfe der Zusatz­ lautsprecher erzeugt werden müssen. Die Zusatzlautsprecher strah­ len dann vor der Front der Schrankwand oder des Regals nach den Seiten sowie nach oben und unten.

Wird die erfindungsgemäße Lautsprecheranordnung bei Stereofern­ sehern angewendet, strahlen die beiden Hauptlautsprecher nach vorne und die Zusatzlautsprecherchassis sind so montiert, daß sie seitlich und zusätzlich auch nach oben abstrahlen. Der Raumklang kann nach wie über eine Taste aktiviert werden, die jetzt aber nicht mehr das Direktsignal durch Phasenfehler verfälscht, son­ dern ganz einfach die Zusatzlautsprecher einschaltet (Fig. 13).

Auf keinen Fall dürfen die Zusatzlautsprecher an den Orten an den Wänden befestigt werden, von wo ihr Schall als Reflexionen her­ kommend beim Hörer eintrifft.

Die Ortsbestimmung der Zusatzlautsprecher in der Nähe der Haupt­ lautsprecher ist von ganz besonderer Bedeutung, um springende Ortungen zu vermeiden und den gesamten Hörraum akustisch hoch­ wertig zu beschallen.

Dies zeigt sich dann, wenn sich z.B. ein Hörer aus dem Bereich zwischen den beiden Hauptlautsprechern herausbewegt und sich seitlich neben einem der beiden Hauptlautsprecher befindet oder sich dem Hauptlautsprecher in der Weise nähert, daß der Pegel des Zusatzlautsprechers lauter wird als der des Hauptlautsprechers.

Der seitlich abstrahlende Zusatzlautsprecher wird dann für die intensitätsmäßige Ortungsbestimmung maßgebend und der vom Haupt­ lautsprecher nach vorne abgestrahlte Hochtonbereich geht dann über die Wände und erzeugt die ersten schallstarken Reflexionen, ohne daß es dabei zu springenden Ortungen kommt.

Wären die Zusatzlautsprecher an den Wänden plaziert oder auch nur schon in zu großer Entfernung von den Hauptlautsprechern, käme es je nach der Position des Hörers im Raum zu anderen Ortungen und während des Umhergehens wären springende Ortungen nicht vermeid­ bar.

Durch die richtige Plazierung der Zusatzlautsprecher wird es möglich, nicht nur die Akustik an einem bestimmten Hörplatz zu optimieren, wie z.B. bei der Quadrofonie, sondern an praktisch allen Plätzen im Hörraum einen akustisch hochwertigen und echt räumlichen Klangeindruck zu gewinnen. Vorgegeben durch die Abstände der Wände und der Decken von Wohn­ räumen, läßt sich dieser Optimierungsprozeß schon in den klein­ sten Wohnräumen verwirklichen und ist möglich bis zu Raumgrößen von 100 Quadratmetern.

Wird das elektrische Signal, das den Zusatzlautsprechern zugelei­ tet wird, durch eine technische Einrichtung zeitlich verzögert, lassen sich die ersten schallstarken Reflexionen mit den gleichen Verzögerungszeiten wie in größeren Räumen beim Hörer eintreffend simulieren. Durch unterschiedliche Verzögerungszeiten können die akustischen Klangeindrücke unterschiedlich großer Räume simuliert werden, ohne den Direktschall zu verfälschen.

Es ist sogar möglich, daß elektrische Signal der Zusatzlautspre­ cher über ein elektronisches Hallgerät laufen zu lassen. Hierbei werden künstlich über eine beliebig einstellbare Zeit elektroni­ sche Reflexionen erzeugt, die über die Zusatzlautsprecher und die Wände akustisch wirksam werden und nicht nur die ersten schall­ starken Reflexionen beliebig einstellbar machen sondern auch die Nachhallintensität und die Nachhallzeit. Auch in diesem Fall wird die Präzision des Direktschalls von den Hauptlautsprechern in keiner Weise beeintächtigt.

Auch der elektrische Anschluß der Zusatzlautsprecher parallel zu den Hauptlautsprechern ist höchst einfach. Den Zusatzlautspre­ chern wird nur ein elektisches Filter in der Art einer Frequenz­ weiche vorgeschaltet, das die Frequenzen unter 2000 Hz aus dem Gesamtsignal herausfiltert. Es ist nur zu beachten, daß die Zusatzlautsprecher eine hohe Impedanz aufweisen, damit nicht die Gesamtimpedanz von Haupt- und Zusatzlautsprecher im Frequenz­ bereich von über 2000 Hz unter den für Verstärker vorgeschriebe­ nen Wert sinkt.

Wenn die ersten schallstarken Reflexionen akustisch richtig oder falsch beim Hörer eintreffen, können sich ganz gravierende Klang­ unterschiede bei ein und demselben Lautsprecher im gleichen Hör­ raum ergeben. Bekannt sind Testberichte wo sich die Tester wochenlang um die Aufstellung eines Raumstrahlers im Testraum bemühten, um den opti­ malen Klangeindruck zu erzielen. Sie haben in dem Aufstellungsprozeß lediglich das Eintreffen der ersten schallstarken Reflexionen im Hörraum an der Position des Hörers verändert, ohne die Zusammenhänge zu begreifen.

Während es bis heute immer ein Problem war, wie man die Haupt­ lautsprecher einer Stereoanlage im Hörraum aufzustellen hat, wird die Lösung dieses Problems in Verbindung mit der erfindungsge­ mäßen Lautsprecheranordnung recht einfach.

Die Zusatzlautsprecher können in der Lautstärke, im Frequenzbe­ reich und sogar in der Abstrahlrichtung auf die Wände als vorge­ gebene Reflektoren leicht eingestellt werden. Aufgrund des akustischen Verständnises über die Wirkungsweise der ersten schallstarken Reflexionen läßt sich der große Aufstellauf­ wand herkömmlicher Lautsprecher auf einen relativ geringen Ein­ stellaufwand für die Zusatzlautsprecher reduzieren.

Wenn die Zusatzlautsprecher akustisch richtig plaziert werden, eignen sich die Hauptlautsprecher sogar zum Einbau in Möbel, Regale, Schränke, Schrankwände, tragbare und stationäre Stereo­ anlagen oder auch in Fernsehgeräte, ohne daß Klangverluste in Kauf genommen werden müssen. Die Hauptlautsprecher müssen also nicht mehr frei im Hörraum aufgestellt werden, um gut zu klingen und sie müssen auch nicht mehr im Hörraum herumgeschoben werden, um den Punkt zu finden, an dem sie optimal klingen. Die optimale Raumanpassung der erfindungsgemäßen Lautsprecheran­ ordnung wird nur noch durch eine Einstellung der Zusatzlautspre­ cher vollzogen.

Claims (11)

1. Lautsprecheranordnung, bestehend aus einem linken und einem rechten Hauptlautsprecher, die jeweils einen breitbandigen Ton­ übertragungsbereich zur Stereowirkung als Direktstrahler in eine bevorzugte Richtung abstrahlen und jeweils in Kombination mit einem oder mehreren Zusatzlautsprecherchassis betrieben werden, die entweder in der Nähe vom oder direkt am Hauptlautsprechergehäuse angebracht sind und deutlich in andere Richtungen als die Haupt­ lautsprecher abstrahlen, gekennzeichnet dadurch, daß
die Hauptlautsprecher als frequenz- und phasenkompen­ sierte elektrodynamische Wandler mit kleiner Membranfläche als Punktstrahler abstrahlen und
der Frequenzbereich, der Zusatzlautsprecherchassis so gewählt wurde, daß die Wellenlänge der unteren Grenzfrequenz kleiner oder gleich der kürzesten Wellenlänge ist, die vom menschli­ chen Gehör gerade noch laufzeit- oder phasenmäßig ausgewertet werden kann und
die Abstrahlcharakteristik der Zusatzlautsprecherchassis so gewählt wurde, daß durch eine gerichtete Schallabstrahlung der Direktschall der Hauptlautsprecher im örtlichen Hörbe­ reich vor den Hauptlautsprechern möglichst wenig überlagert wird.

2. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lautsprecherchassis des Hauptlautsprechers ein handelsüblicher Koaxiallautsprecher ist.

3. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lautsprecherchassis des Hauptlautsprechers ein handelsüblicher Breitbandlautsprecher mit runder oder ovaler Form ist, wobei der äußere Teil der Membran direkt am Schwingspulen­ träger befestigt ist.

4. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lautsprecherchassis des Hauptlautsprechers ein Breitbandlautsprecher mit nur einem Schwingspulenantrieb ist, dessen gesamte Membranfläche in Teilflächen zur Abstrahlung für verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt wurde.

5. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz- und Phasenkompensation des Hauptlautsprechers durch eine Rechenschaltung erfolgt, die im Übertragungsbereich des Hauptlautsprechers dessen komplexe Übertragungsfunktion mit inversem Verlauf in genügend guter Näherung nachbildet und die vor den Hauptlautsprecher geschaltet wird, um dessen Übertragungsfehler zu kom­ pensieren.

6. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz- und Phasenkompensation des Hauptlautsprechers nur näherungsweise erfolgt, z.B. mit einem Equalizer.

7. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz- und Phasenkompensation des Hauptlautsprechers so durchgeführt wird, daß der Tieftonbereich nicht vom Hauptlaut­ sprecher übertragen wird, sondern von einem Subwoofer.

8. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abstrahlrichtungen der einzelnen Zusatzlautsprecher­ chassis untereinander deutlich unterscheiden.

9. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zusatzlautsprecherchassis so am Gehäuse des Haupt­ lautsprechers angeordnet sind, daß sich räumlich gesehen ein ge­ meinsames akustisches Zentrum mit dem frequenzmäßig im gleichen Bereich wirksamen Chassis des zugehörigen Hauptlautsprechers ergibt.

10. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zusatzlautsprecherchassis in ein eigenes Lautspre­ chergehäuse eingebaut werden, das vom Gehäuse des Hauptlautspre­ chers getrennt aufgestellt werden kann.

11. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zusatzlautsprecher nur im Frequenzbereich von über 2000 Hz Schall abstrahlen.