Autor Thema: Modulationsverzerrungen in Lautsprechern  (Gelesen 4036 mal)

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Jürgen Heiliger

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Modulationsverzerrungen in Lautsprechern
« am: 21. Apr. 2007, 13:40 »
Hi Jungs,

heute beim Aufräumen meiner Festplatte gefunden......

Zitat
© P. W. KLIPSCH
Modulationsverzerrungen in Lautsprechern
Vergleicht man einen Lautsprecher mit direkt abstrahlendem Baßsystem mit einem, der für die Bässe mit einem Horn bestückt ist, so kommt man zu dem subjektiven Urteil, daß der Lautsprecher mit Hornbestückung „reiner klingt, Der Unterschied in der Wiedergabequalität scheint auf die Modulationsverzerrungen zurückführbar zu sein.
Im folgenden werden die mathematische Analyse der Modulationsverzerrungen und Messungen mit einem Spektrumsanalysator, die mit Hörtests in Beziehung gesetzt wurden. beschrieben. Die Spektralanalyse bestätigt die mathematische Analyse, und die Hörtests bieten eine subjektive Bewertung. Es ist zu folgern, daß Frequenzmodulation in Lautsprechern zum großen Teil die Uberdeckung der inneren Stimme zur Folge hat. Die Verkleinerung der Membranauslenkung bei niedrigen Frequenzen vermindert die FM-Verzerrungen. Bestückung mit einem optimal angepaßten Horn bietet jedoch die größte Verminderung der FM-Verzerrungen bei gleichzeitig verbesserter Baßwiedergabe.
Paul W. Klipsch ist Präsident der amerikanischen Lautsprecherfirma Klipsch and Associates Inc., Hope, Arkansas. Der Aufsatz basiert auf einem Vortrag, der vom Verfasser am 29. April 1968 auf der 34. Convention of the. Audio Engineering Society. Los Angeles, gehalten wurde. Da die behandelten Probleme für die Lautsprechertechnik recht interessant sind, wurde der uns Ende 1971 vom Verfasser überlassene deutsche Text weitgehend ungekürzt übernommen; die verwendeten amerikanischen Maßeinheiten wurden dabei beibehalten.

1. Allgemeines
Die Bezeichnung „Verzerrungen ist im folgenden als die Erzeugung von Frequenzen definiert, die im Originalklang nicht vorhanden sind. Sie unterscheiden sich also von den Frequenzgangfehlern. Unter harmonischen Verzerrungen (nichtlinearen Verzerrungen) versteht man die Einführung von Oberschwingungen von im Original enthaltenen Frequenzen; sie sind auch bei werhailtnismäßig großem Anteil weniger störend, da die Musik zum großen Teil aus Oberschwingungen besteht. Modulationsverzerrungen erzeugen dagegen neue Frequenzen, die in einem disharmonischen Verhältnis zu den Originalklängen stehen; sie sind auch bei kleinem Anteil hörbar und daher unerwünscht. Amplitudentnodulationsverzerrungen sind auf irgendeine Nichtlinearität zurückzuführen, die harmonische Verzerrungen hervorrufen kann. Sie treten als nichtharmonische Summen oder Differenzfrequenzen oder Seitenbänder auf, wenn zwei oder mehr Frequenzen gemischt werden. Das Problem der Amplitudenmodulation ist in (1) behandelt.
Man bemüht sich sehr, die harmonischen Verzerrungen in Lautsprechern zu verringern. Da harmonische Verzerrungen aus dem gleichen Grunde auftreten wie AM-Verzerrungen, kann vorläufig gefolgert werden, daß AM-Verzerrungen in guten Lautsprechern relativ klein sind. Trotzdem dürfen die AM-Verzerrungen nicht vernachlässigt werden; dieser Beitrag behandelt die gesamten Modulationsverzerrungen.

FM-Verzerrungen entstehen in einem Lautsprecher, wenn die Membranbewegung bei einer niedrigen Frequenz infolge des Dopplereffekts Frequenzänderungen einer hohen Frequenz hervorruft. Die Wirkung ist ähnlich den Tonhöhenschwankungen bei einem defekten Tonbandgerät, wenn die Bandgeschwindigkeit nicht innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches konstant ist. Experimente mit einer exzentrischen Tonwelle an einem Tonbandgerät zeigten, daß Tonhöhenschwanknngen bis   0,35 % stören, wenn die modulierende Frequenz 20 oder 40 Hz beträgt (2). Umfangreiche Versuche der Tonbandgerätehersteller, Gleichlaufschwankungen unter 0,1% zu erreichen, beweisen, daß dieses Problem erkannt ist. Aber noch viel höhere Werte werden bei Lautsprechern beobachtet.

Der Dopplereffekt oder das Prinzip der Veränderung der Tonhöhe wurde 1842 entdeckt (3). Das bekannte Beispiel ist das eines sich bewegenden Fahrzeuges, zum Beispiel einer Lokomotive, die einen Pfiff ausstößt. Wenn das Fahrzeug an einem Beobachter vorbeifährt, verringert sich die Tonhöhe des Pfiffes. Die Wellenlänge und damit die Tonhöhe ändert sich proportional dem Verhältnis der Geschwindigkeit der sich bewegenden Schallquelle zur Schallgeschwindigkeit.
Eine Lautsprechermembrane, die bei zwei Frequenzen schwingt, zum Beispiel bei 32 Hz und 1000 Hz, würde FM-Verzerrungen bewirken. Wenn sich nämlich die Membrane, die mit 1000 Hz schwingt, mit 32 Hz auf den Beobachter zu und von ihm fort bewegt, so ergibt sich dadurch eine Änderung der 1000-Hz-Frequenz, die von der Membrangeschwindigkeit bei der 32-Hz-Frequenz abhängt. Wenn die Geschwindigkeit des Konus bei der niedrigen Frequenz 0,5 % der Schallgeschwindigkeit ist, beträgt auch die Frequenzabweichung der höheren Frequenz 0,5 %. Die totale Modulationsverzerrung ist die Kombination von AM- und FM-Verzerrungen.

2. Hörtests
Zwei Lautsprecher, einer mit direkter Baßabstrahlung und der andere mit Hornbestückung, wurden in Hörtests verglichen. 19 der 20 Hörer hielten den mit Hornbestückung für „reiner"'. Beide Lautsprecher stammten von demselben Hersteller und hatten Mittel- und Hochton-Hornsysteme mit identischen Antriebssystemen. Die direkte Strahlereinheit bot einen erweiterten Baßbereich mit einer unteren Grenzfrequenz von etwa 30 Hz, während der Frequenzbereich des Lautsprechers mit Hornbestückung nur bis rund 45 Hz reichte. Wenn der Frequenzgang bei der Beurteilung die entscheidende Rolle gespielt hätte, hätten die Hörer den Lautsprecher mit der direkten Baßabstrahlung bevorzugen müssen, aber das Gegenteil war der Fall. Die Urteile „transparent", „bessere Auflösung" und „Klarheit der inneren Stimme" wurden für den Lautsprecher mit Hornbestückung verwendet.

Tests mit Einzelfrequenzen zeigten, daß beide Lautsprecher geringfügige harmonische Verzerrungen bei den Pegeln, die in den Hörtests verwendet wurden, erzeugten. Beide hatten einen linearen Leistungsverlauf bis zu 120 dB Schalldruck (gemessen bei 4 ft Abstand), was durch die Parallelität der Frequenzkurven bewiesen wurde, die bei 0,1, 1 und 10 W Leistungsaufnahme gemessen wurden. Hystereseeffekte lagen, wenn überhaupt vorhanden, unter dem Auslösungsvermögen der Meßeinrichtung. Daher dürften die Unterschiede in der Wiedergabequalität lediglich auf die Modulationsverzerrungen zurückzuführen sein.

3. Frühere Untersuchungen über FM-Verzerrungen Frequenzmodulationsverzerrungen wurden lange Zeit als eine Lautsprechereigenschaft angesehen [4]. Wenn zwei Frequenzen von derselben Membrane abgestrahlt werden, so wird die höhere Frequenz fz durch die niedrigere Frequenz fl wegen des Dopplereffektes frequenzmoduliert, der abhängig ist von der Bewegung der Membrane bei der niedrigeren Frequenz. Diese Frequenzänderung der höheren Frequenz ist proportional dem Verhältnis von Membrangeschwindigkeit bei der niedrigeren Frequenz zur Schallgeschwindigkeit.
Ist A1 die maximale Amplitude der Bewegung infolge fl, dann ergibt sich
Für f2 = 600 Hz   erhält man dann d fz = 0,0016 - 600 = 1 Hz.   
In diesem Beispiel würde also die Frequenzänderung 1 Hz sein, und die Frequenz fZ würde zwischen 599 und 601 Hz schwanken.

Der Betrag der Frequenzverschiebung, -schwankung oder -abweichung ist leicht durch eine Messung der Membranauslenkung bei der niedrigsten Frequenz zu bestimmen, aus der bei bekannter Frequenz die modulierende Geschwindigkeit berechnet werden kann. Zur Berechnung der Frequenzmodulationsabweichung teilt man diese Geschwindigkeit durch die Schallgeschwindigkeit und multipliziert das Ergebnis mit der modulierten Frequenz.

Beers und B e 1 a r   [4] leiten ein unterschiedliches Meßverfahren für die Frequenzmodulationsverzerrungen ab, bei dem die effektive Amplitude der Seitenbänder verwendet wird.
Diese Autoren geben die Formel d = 0,033 - Ax - fz (4) an.
Darin ist d der Verzerrungsfaktor (Effektivwert der Seitenbänder in Prozent der Amplitude von f2), A1 die Amplitude der Bewegung (in Zoll) bei der niedrigen Frequenz fl sowie f2 die höhere (oder modulierte) Frequenz.

In dem angegebenen Beispiel, bei dem die Membranauslenkung Y4 in (Amplitude A, = 0,12 in) und die höhere Frequenz f2 = 600 Hz, ist, ergibt sich d = 0,033 - 0,12 - 600 .; 2,4 Mo.
Für die Frequenzmodulation gilt, daß die Seitenbänder aus den Summen- und Differenzfrequenzen von höherer Frequenz fz und modulierender Frequenz fl sowie aus Summen- und Differenzfrequenzen höherer Ordnung bestehen. Daraus ergeben sich Seitenbandfrequenzen fz + f,, f2 + 2 - fl usw. Man beachte, daß die Amplitude AI hier ein Faktor zur Bestimmung der Amplitude der Seitenbänder ist; die Geschwindigkeit v, bestimmt den Bruchteil der Frequenzänderung der modulierten Frequenz.

4. FM-Analyse
Die Gleichung der Frequenzmodulation wurde von T e r m a n angegeben [5].
In geringfügig abgeänderter Form gilt
e = E   sin [w2 ' t + (3 wz /wl) ' sin wl - t] . (5)
Darin ist E die Amplitude des Trägers oder der höheren Frequenz,
wz = 2. m - fz mit f2 als höherer oder modulierter Frequenz,
wl = 2 - m - fl mit fl als niedriger oder modulierender Frequenz und 3 wz die maximale Änderung der Frequenz
fz.
Mit E = 1 und d w2 - WO ' wz m=- wl WI
= Ai , wl . w2 = A1_   wz   
(6) c wt c wird e = sin (wz 't + m, sin w, t).   
(7) e=Jym- sin W2 ' t+
+ Jl   m [sin (w2 + ('l) t-sin (w2 -wl) t] + +Jzm[sin(wz+2wx)t+
+ sin (wz - wl ) tl + . . .   
(8 ) Ausgedrückt als Seitenbandamplituden [6] für m « 1, erhält man eo=Jo.m 1,
ei =J, m~z-- m/2,
ez = J2 . m = m2/8 usw.   
(9) Mit c = 13 500 ips wird
eo = 1,
el z~ 0,00023 - Al fz ,
ez ~ 2,7 - 10-a - (A1 . f2)z usw.   
(10) Darin stellt ex die Amplitude jedes der beiden Seitenbänder erster Ordnung dar. e2 ist die Amplitude jedes der beiden Seitenbänder zweiter Ordnung usw.
Die Gleichungen (10) und (4) können nun verglichen werden. Man betrachte dabei die Amplitude einer Seitenbandfrequenz erster Ordnung
el = 0,00023 - A1 - fz .   
(11) Darin ist A1 die Amplitude de: Bewegung infolge fl. Sind die Seiten
bänder zweiter Ordnung vernachlässigbar klein, so ist der Effektivwert beider Seitenbandfrequenzen erster Ordnung
El = 0,00023 ' V2   A1 ' .fz = (),()0033. A, fz .
Dieses Ergebnis stimmt mit der Gleichung von Beers und Belar (Gl. (4)) überein, in der der Koeffizient von 0,033 in Prozent angegeben ist. Für A1 - '%s Zoll und fz = 600 Hz ergibt sich beispielsweise e1 = 0,017 (-35 dB) und ez = 0,00013 (,zz~ -78 dB). Zwei Seitenbänder el von 0,017 stellen einen E>;fektivwert der Amplitude von 0,017 - y/2 = 0,024 dar. Das stimmt überein mit dem Wert d = 2,4 %, den man erhält,.wenn man die Methode von Beers und Belar anwendet.

Gl. (8 ) gibt an, daB die Seitenbänder Frequenzen von fz f f,, fz f 2. f, usw. enthalten. Gl. (3) empfiehlt eine Begrenzung der Seitenbänder entsprechend der Abweichung. Terman [5] erklärte das damit, daß die Wellen während der Frequenzänderung einseitig werden und andere sinusförmige Komponenten bewirken. Qualitativ ist es schwierig, eine 1-HzAbweichung mit einer 28-Hz-Seitenbandkomponente auszugleichen, aber diese Seitenbandfrequenzen werden glaubwürdig, wenn man sie auf dem Schirm eines Spektrumsanalysators sieht. Beers und Belar zogen aus ihren Untersuchungen folgende Schlüsse:

    1. Wenn der Verzerrungsfaktor d mit fz ansteigt, werden die Auswirkungen bei Hi-Fi-Anwendungen besonders schwerwiegend sein. Man sollte daher zwei Lautsprecher benutzen, und zwar einen, um die niedrigen Frequenzen abzustrahlen, und den zweiten für die Höhen.Modulationsverzerrungen in Lautsprechern benutzen, und zwar einen, um die niedrigen Frequenzen abzustrahlen, und den zweiten für die Höhen.
    2. Es ist schwierig, die Frequenzmodulationsverzerrungen durch Hörtests zu beurteilen, weil man sie nicht vollständig von anderen Verzerrungsarten trennen kann.
    3. Frequenzmodulationsverzerrungen werden wahrscheinlich durch andere Verzerrungsarten verdeckt.

Als dies 1943 geschrieben wurde, zu einer Zeit also, als mir der AM-Rundfunk und die Schellack-Schallplatte zur Verfügung standen, war es wahrscheinlich daß Frequenzmodulationsvexzerrungen in Lautsprechern durch andere Verzerrungsarten und Geräusche verdeckt wurden. Jetzt, da Verstärker mit Klirrfaktoren von 0,05 % gebaut werden und die FMÜbertragung einige Verzerrungsarten, die die AM-Übertragung aufweist, vollständig unterdrückt und andere weitgehend verringert - mit Tonbändern ist ein Signal-RauschAbstand von 55 dB und besser erreichbar -, kann man annehmen, daß die FM-Verzerrungen in Lautsprechern als einzige Verzerrungen in den im übrigen hochwertigen Übertragungsanlagen übrigbleiben.

5. Totale Modulationsverzerrung
Amplitudenmodulation bewirkt die gleichen verzerrenden Seitenbänder (fZ = fl usw.), wie sie bei der Frequenzmodulation auftreten. Wenn man einen Spektrumsanalysator benutzt, ist die angezeigte Amplitude jeder Seitenbandkomponente die effektive Summe der beiden Verzerrungsarten. Manchmal treten auch zwei Seitenbandfrequenzen fz + fl und f2-fl mit verschiedenen Amplituden auf. Dies ist infolge einer Phasendifferenz zwischen den Amplituden- und den Frequenzmodulationskomponenten möglich, so daß sich die effektive Summe der einen Seitenbandkomponente von der der anderen unterscheidet. Die effektive Summe beider Komponenten stellt aber immer noch den wirksamen Wert dieser besonderen Größe der Modulationsverzerrung dar. Die effektive Summe aller Seitenbandkomponenten ist die totale Modulationsverzerrung für die betreffende Kombination von Eingangsfrequenzen.
Bis jetzt wurde noch kein Verfahren zur Trennung der Amplituden- und Frequenzmodulationsverzerrungen beschrieben. Aber da bei beiden Verzerrungsarten die gleichen Seitenbänder auftreten, ist es die totale Modulationsverzerrung, die die Wiedergabeverschlechterung bewirkt. Diese totale Modulationsverzerrung kann mit dem Spektrumsanalysator gemessen werden.

6. Experimentelle Untersuchungen
Bei den exiperimentellen.. Untersuchungen wurden folgende Geräte benutzt: zwei Oszillatoren Typ Hewlett-Packard „H02-207A GR 1310A", ein '/2-Zoll-Mikrofon von Brüel & Kjaer und ein Tektronix-Speicheroszillograf „564" mit Spektrumsanalysator „3L5" und Zeitbasis „2B67". Zur NF-Verstärkung diente ein Zweifach-Leistungsverstärker, der die Signale fl und fz getrennt verstärkte und dessen Ausgangssignale gleichzeitig dem Lautsprecher zugeführt wurden.
6.1. Baßlautsprecher
In Tab. I sind vier Baßlautsprecher verglichen, wobei die Frequenzen 50 Hz und 300 Hz benutzt wurden. Die Verstärker-Ausgangsspannung wurde für jede Frequenz so eingestellt, daß der angegebene Schalldruck in 2 ft Abstand auftrat.

Tab. I.
Totale Modulationsverurrung von Baßlautsprechern
Schalldruck in 2 ft Abstand dBtotale Modulationsverzerrung %
großer, gut aufgebauter Hornlautsprecher1000,7 %
direkt strahlender 15-Zoll-Lautsprecher im offenen 6,5-ft Gehäuse952,2
direkt strahlender 10-Zoll-Lautsprecher im geschlossenen 1,5-ftGehäuse956,8
direkt strahlender 7-Zoll-Lautsprecher im Igeschlossenen 1-ft-Gehäuse9014
Die Tabelle bestätigt eine Regel, die zwar seit langem bekannt, aber nicht bewiesen ist: Je höher der Wirkungsgrad, um so niedriger ist die totäle Modulationsverzerrung. Eine weitere Tatsache, die bisher noch nicht erkannt war, ist, daß Lautsprecher mit niedrigem Wirkungsgrad sehr viel höhere totale Modulationsverzerrungen aufweisen, als der berechneten FM-Verzerrung entspricht. Lautsprecher mit hohem Wirkungsgrad haben dagegen eine totale Modulationseerzerrung, die nur wenig größer ist als die berechnete FM-Verzerrung. Bei der Differenz muß es sich um AM-Verzerrungen handeln. Im Falle des Hornlautsprechers mit hohem Wirkungsgrad lag die Amplitude der Seitenbandfrequenzen rund 45 dB unter der des 300-Hz-Signals (Bild 1). Die Verzerrungen der Oszillatoren, des Verstärkers und des Analysators könnten allerdings einen gewissen Anteil an den gesamten Verzerrungen haben.
Als Qualitätsmerkmale eines Lautsprechers müssen berücksichtigt werden: die abgegebene Schalleistung bei einem bestimmten Verzerrungsgrad, das Richtdiagramm und der Frequenzgang. Wenn die Modulationsverzerrung quantitativ spezifiziert ist, können Lautsprecher genauso beschrieben werden wie Verstärker.
Bild 1. Spektren von Baßlautsprechern. Oben: hochwertiger Hornlautsprecher bei 100 dB Schalldruck in 2 ft Abstand; die totale Modulationsverzerrung ist durch das Umgebungsgeräusch verdeckt, könnte aber etwa 0,7% sein. Unten: 10-Zoll-Direktstrahler im geschlossenen 15 -ft3Gehäuse bei 90 dB Schalldruck in 2 ft Abstand; die totale Modulationsverzerrung ist etwa 7% (f, = 50 Hz, f.~ = 300 Hz; Vertikalachse 10 d8/ Rastertlg., Horizontalachse 50 Hz/Rastertlg.) Bild 2. Spektren von Mitteltonlautsprechern Oben: hochwertiger Hornlautsprecher bei 100 dB Schalldruck in 2 ft Abstand; Harmonischen vor f, sind nicht vorhanden, und die Seitenbänder 1 Ordnung liegen 43 d8 (0,7 %) und 46 dB (0,6 %) unter dem Wert von f2; die totale Modulations verzerrung ist 0,9 °k. Unten. 8-Zoll-Direktstrahler bei 90 dB Schalldruck in 2 ft Abstand; die Harmonischen von f, liegen 23 und 35 dB untei dem Wert von fl; die Seitenbänder 1. Ordnunc liegen 23 dB (5,6%) und die 2. Ordnung 26 dE (4,5 %) und 42 dB (0,8 %) unter dem Wert von f2 die totale Modulationsverzerrung ist 9,1 % (f, _ 510 Hz, f2 = 4,4 kHz; Vertikalachse 10 dB/Ra stertlg., Horizontalachse 500 Hz/Rastertlg.)   
6.2. Mitteltonlautsprecher
Die Tests wurden durchgeführt mit einem hochwertigen Mittelton-Hornlautsprecher, einem reflektierenden Horn für den mittleren Frequenzbereich und einem 8-Zoll-Direktstrahler (Tab. II und Bild 2). Wie bei den Baßlautsprechern, war auch hier die Verzerrung nahezu umgekehrt proportional zum Wirkungsgrad. Im Falle des reflektierenden Horns war das Verhältnis von maximalem zu minimalem Schalldruck (Spitzen und Einbrüche im Frequenzgang) im Arbeitsbereich nahezu 24 dB. Bei Wahl einer Frequenz im Bereich eines Einbruchs wurde festgestellt, daß Schalldruckwerte über 90 dB nur mit starken Verzerrungen zu erreichen waren. Bei 90 dB stieg die totale Modulationsverzerrung auf 10 %.
Die Versuche zeigten auch, daß sich mit Plastikmembranen in den Lautsprechersystemen für die Hörner geringfügig niedrigere totale Modulationsverzerrungen ergeben und größere Ausgangsleistungen verarbeiten lassen als mit Membranen aus Metall. 6.3. Hochtonlautsprecher Horn-Hochtonlautsprecher haben einen etwas höheren Wirkungsgrad, und es gilt die Regel: je höher der Wirkungsgrad, um so niedriger die Verzerrungen.
Es wurde auch ein ungewöhnlicher Hochtonlautsprecher getestet, und Tab. II.
Totale Modulationsverzerrung von Mitteltonlautsprechern
Schalldruck in 2 ft. Abstand dBtotale modationsverzerrung %
Achsial Horn100< 1
reflektierendes Horn100~ 5
8-Zoll-Direktstrahler90~ 10
3_ Spektren von Hochtonlausprechern Oben hochwertiger Hornlautsprecher die Sertenbender liegen 50 und 45 dB unter cien, Wert von f2 Unten: Ionen-Lautsprecher ci, Seitenbänder liegen 10...25 dB unter der Wert von f, (f = 5 kHz, fZ = 12.5 kHz   eweils OS V;   Vertikalachse   10 d8% Rastert!g •   Horizontalachse etwa 1 kHz„ Rastertlg l Bild 4. Spektren der Hochtonlautsprecher vor Bild 3 in einem größeren Frequenzbereich Oben: hochwertiger Hornlautsprecher; unten Ionen-Lautsprecher (fl = 5 kHz, f2 = 12S kHz jeweils 0,5 V: Vertikalachse 10 dB!Rastertlg Horizontalachse 10 kHz!Rastertlg.)
zwar ein Iunun-Lautsprecher (Bilder :3 und 4).
Ei erzeugte Summen- und Differenzfrequenzenmithohen amplituden. va-enn die Frequenzen 5000 Hz und 12,1500 Hz mit ,jeweüs 1 V Eingangsspannung zugeführt wurden. Hbrtesta zeigten extreme Verzerrungen bei allen Frequenzkombinationen und Amplituden, die so hoch waren, daß sie mit einem Gleichrichtervoltmeter gemessen werden konnten.
Es vtiuede von vornherein vermutet. daß die Verzerrungen hoch sein würden Die -,Membrane' hesteht hier au~ der C;ret:zschicht rwschen heißer und kalter Lutt, und der ionisierte Punkt scheint weniger als 03 Zoll Durchmesser zu haben. Die selbsW°er-ständliche Folgerung. daß die Modu-lationsverzerrung hundertmal größer ist als die eines Hochtonlautspreclters mit einer 1-Zoll-Membrane, wurde durch den Spektrumsanalysator bestätigt.
Optimal dimensionierte Horn-Hochtonlautsprecher mit dynamischem Lautsprechersystem weisen eine niedrigere totale Modulationsverzerrung auf als jeder andere hier getestete Typ.

7. Demonstrationstonband
Auf einem Tonband wurden ein 50 und ein 300-Hz-Ton gleichzeitig aufgenommen. Anschließend wurde das Band über einen kleinen direkt strahlenden Lautsprecher wiedergegeben. Dabei waren die Verzerrungen deutlich hörbar -
Das Konzert für Klarinette und Orchester von Mozart enthält im dritten Satz anhaltende Klarinettentöne, bei denen bereits geringe Verzerrungen sehr störend wirken. Eine Bandaufnahme dieses Konzerts wurde über einen kleinen Lautsprecher, der die Frequenz 28 Hz praktisch nicht mehr abstrahlte, wiedergegeben, wobei ein 28-Hz-Ton intermittierend dem Lautsprecher zugeführt wurde. Die dabei auftretende Verzerrung war äußerst störend, obwohl die Modulationsfrequenz nicht hörbar war.

8. Diskussion
8.1. Hoher Schalldruck in der Eingangsöffnung des Horns
Thuras, Jenkins und O'Neil f7] machen das Verhältnis der zweiten Harmonischen zur Grundwelle am Ausgang des Hornlautsprechers von hohen Ausgangsleistungen (beispielsweise 10 W bei 2000 Hz) und besonders von hohen Schalldruckpegeln in der Eingangsöffnung cles Horns abhängig. Sobald harmonische Vier - zerrungeri auftreten, treten auch 1Vlodulationsverzerrungc:n auf,
lt: wj werden ebenfalls Summenund Differenzfrequenzen erwähnt. Bei einem Horn, dem die Frequenzen 500 und 940 Hz zugeführt wurden, fanden die Autoren neben den Grundwellen und Harmonischen die Seitenbandfrequenzen 340 und 1540 Hz. Sie stellten fest, daß bei höheren Ausgangsleistungen der Klang sehr unangenehm war und die Grundtöne kaum unterschieden werden konnten. Ihre Analysen und Messungen befaßten sich aber nur mit harmonischen Verzerrungen; Meßwerte für die Modulationsverzerrung wurden nicht gegeben.

Goldstein und McLachlan [8] führen die harmonischen Verzerrungen auf hohe Schalldruckpegel im Eingang des Horns zurück, aber sie beschreiben und messen keine Modulationsseitenbänder, die dadurch entstehen, daß zwei Frequenzen gleichzeitig wiedergegeben werden. Offensichtlich entstehen harmonische Verzerrungen zweiter Ordnung und entsprechende Modulationsverzerrungen im Horneingang bei hohen Schalldruckpegeln. Bei den Tests, über die hier berichtet wird, wurde mit Schalldrücken gearbeitet, die weit über diejenigen hinausgingen, die man von Direktstrahlern erwarten kann. Trotzdem betrug die totale Modulationsverzerrung nur etwa t/s. Offensichtlich kann jeder Lautsprecher bis zu einem Leistungspegel betrieben werden. bei dem aehr starke Verzerrungen oder sogar Beschädigungen auftreten müssen. Das Ziel war aber hier, mit den in der Praxis auftretenden Ausgangsleistungen zu arbeiten, um die verschiedenen Lautsprechertypen vergleichen zu können.

8.2.Impedanzvariationen durch die Horncöffnung Wente und Thuras [9] verwendeten einen Baßlautsprecher mit einer Hornöffnung von etwa 25 ft' und erhielten ein akustisches Impedanzverhältnis von rund 7 : 1. Das hier verwendete Baß-Horn hatte eine Öffnung von 5,3 ft2. Durch Aufstellung in einer Raumecke wurde eine vrirksame Hornöffnung von 21 ft2 erreicht. Im Frequenzbereich von 30 bis 100 Hz veränderte sich die Bewegungsimpedanz von 5 bis 35 Ohm. Hörner mit sehr kleinen Öffnungen können akustische Impedanzveränderungen won 50: 1 oder mehr sowie starke Spitzen und Einbrüche im Schalldrucks-erlauf aufweisen. Wählt man eine Frequenz, bei der ein starker Einbruch im Schalldruckverlauf auftritt, und erhöht man die zugeführte Leistung, um einen bestimmten Schalldruck zu erreichen, so kann das starke Verzerrungen bewirken. Aber selbst bei einem weniger hochwertigen Hornlautsprecher ist der Wirkungsgrad bei Einbrüchen im Schalldruckverlauf im allgemeinen noch höher als bei einem Direktstrahler, der die gleiche wirksame Fläche hat, und die Verzerrungen sind niedriger.
Es gibt aber auch Ausnahmen: Das reflektierende Mittelton-Horn hatte im Schalldruckverlauf Differenzen zwischen Spitzen und Einbrüchen bis zu 24 dB und zeigte höhere Modulationsverzerrungen, wenn eine der
Frequenzen in den Bereich eines Einbruchs fiel und die zugeführte Leistung gesteigert wurde, um 100 dB Schalldruck zu erreichen. Dieser Lautsprecher war jedoch noch immer ebensogut wie der Direktstrahler. Dies ist keine Kritik am Horn, sondern am Reflexionssystem, das starke Unregelmäßigkeiten im Schalldruckverlauf bewirkt.

9. Schlußfolgerung
Wie stark ModulationsVerzerrungen sein dürfen, damit sie kaum feststellbar sind, wann sie stören und wann sie unerträglich sind. wird bei den einzelnen Hörern unterschiedlich sein und auch vom Wiedergaberaum abhängen. Auf das was 1905. 1925 und 1945 als eimVandfreie Tonwiedergabe und 1955 als großer Fortschritt bezeichnet wurde, sieht man jetzt mehr oder weniger tolerant herab. Unser Gehör ist sehr anspruchsvoll geworden. Bei dem Vorführband wurden die Pegel so gewählt, daß sich eindeutige Resultate ergaben. Geringere Verzerrungswerte, die sogar bei und unterhalb der Pegel liegen, bei denen sie durch A-B-Vergleich bemerkbar sind. sind unzulässig, da sie zur Ermüdung der Hörer beitragen. Wenn Menschen mit Unzulänglichkeiten der Lautsprecher vertrauter werden, ist damit zu rechnen, daß sie kritischer werden. J a m e s M o i r [10] weist darauf hin, daß bereits Modulationsverzerrungen von 0,001 % vom Ohr wahrgenommen werden. Er gibt aber nicht an, ob es sich bei diesem Wert um Frequenzabweichung oder Seitenbandamplitude handelt. WodulationsVerzerrungen können in Lautsprechern nicht verhindert werden; was man erwarten kann, ist eine weitgehende Verringerung der Verzerrungen. Jede Bewegung einer Membrane bewirkt Verzerrungen. Hornlautsprecher mit hohem Wirkungsgrad haben sehr viel geringere Modulationsverzerrungen als die besten Direktstrahler, die bisher getestet wurden, und es dürfte die Regel gelten, daß mit steigendem Wirkungsgrad die Verzerrungen geringer werden.

Um die Verzerrungen zu reduzieren, scheint es naheliegend. die Membranflache zu vergrößern. Aber das Gewicht, das notwendig ist, um genügende Festigkeit zu erreichen, oder ungenügende Festigkeit bringt andere und noch größere Probleme mit sich. Alle hier getesteten Lautsprecher mit großen Membranen wiesen hörbare Klangverfälschungen auf.
Es wurde auch die Zahl der kleineren direkt strahlenden Lautsprecher vergrößert. Das verbesserte zwar den
Wirkungsgrad, jedoch nicht in dem Maße, wie es mit gut dimensionierten Hörnern möglich ist. Außerdem entsprechen der Umfang und die Kosten denen für ein Horn oder übersteigen sie, und es treten Schwierigkeiten mit dem Richtdiagramm auf. Derartige Lautsprecher, die hier untersucht wurden, scheinen einen „gedämpften" Klang zu haben, aber es ist noch nicht klar, ob das auf Modulationsverzerrungen oder auf Verdeckungseffekte durch angehobene Bässe zurückzuführen ist.

Eine weitere Methode, die Verzerrungen bei direkt strahlenden Lautsprechern zu reduzieren, besteht darin, die Bässe unterhalb etwa 70 Hz abzusenken. Da von einem Symphonieorchester kaum Grundtöne unter 45 Hz erzeugt werden, würde eine Baßabsenkung zwar einen Verlust von beispielsweise 5 dB bei den tiefsten Grundtönen eines großen Orchesters zur Folge haben, aber die Modulationsverzerrungen würden um mehr als 5 dB verringert. Offenbar bleibt ein Horn das beste Mittel, um die Membranauslenkungen zu verkleinern und den Wirkungsgrad zu erhöhen und auf diese Weise die Modulationsverzerrungen auf ein Mindestmaß herabzusetzen.

10. Ergänzung
10.1. Untersuchung eines GanzbereichLautsprechers
Bei dem für diesen Test gewählten Lautsprecher handelte es sich um einen Direktstrahler, der aus mehreren kleinen Konus]autsprechern mit großem zulässigen Membranhub bestand. Die gesamte Wembranfläche entsprach etwa der eines 12-Zoll-Lautsprechers. Dieses System ist zur Übertragung des gesamten NF-Bereichs bestimmt und arbeitet normalerweise mit einem Ent7,erreCVOtVeCstärker (equalizer). Die beiden Frequenzen waren f, = 50 Hz und fz = 750 Hz; sie erzeugten in 2 ft Ab-tand einen Schalldruck von jeweils 95 dB.
Bild 5 zeigt das Oszillogramm dieses Tests. Das erste Maximum ist die Amplitude der Schwingung f,. Dieser folgen die nur schwach ausgeprägte zweite Harmonische 2 - f, und die starke dritte Harmonische 3 f, mit etwa 20 dB kleinerer Amplitude als fl. Auch die vierte und die fünfte Harmonische sind noch mit beachtlichen Amplituden vorhanden.
Das zweite Maximum stellt die Schwingung f2 (mit der gleichen Amplitude wie f,) dar. Rechts und links daneben liegen die Seitenbänder 1. Ordnung (fz t fl), mit kleiner Am
Bild 5 Spektrum eines Ganzbereich-Direktstrahlers m0 mehreren kleinen Konuslautsprechern und Entzerrervorverstärker bei 92 dB Schalldruck für f, und f2 in 2 ft Abstand; die totale Modulationsverzerrung ist etwa 14 9ö
plitude (-30 dB) und die Seitenbänder 2. Ordnung (f2 f 2 - fl) mit größerer Amplitude. Außerdem sind noch Seitenbänder höherer Ordnung zu erkennen. Dieser Lautsprecher hat etwa 3 % Frequenzmodulationsverzerrungen und 14 46 Amplitudenmodulationsverzerrungen, so daß die Frequenzmodulationsverzerrungen gegenüber den Amplitudenmodulationsverzerrungen hier weniger schwerwiegend sind. Man kann Seitenbandamplituden von weniger als 3 96 vernachlässigen, wenn andere Verzerrungen vorhanden sind, die 10% übersteigen.


Schrifttum-Quellen
[1] Terman, F.E.: Radio engineers handbook. New York 1943, McGraw-Hill
[2] Klipsch, P. W.: Subjective effects of frequency modulation distortion. J. Audio Engng. Soc. Bd. 6 (1958) S. 143
[3] Rayleigh: The theory of sound, Bd. II. 1878, McMillan
[4J Beers, G. L., u. Belar. H.: Frequencymodulation distortion in loudspeakers. Proc. IRE Bd. 31 (1943) Nr. 4, S. 132
[5] Terman. F. E.:   Radio   engineering. 3. Aufl., 1947,
[6] Pierce, B. O.: A short table of integrals. 2. Aufl., Boston 1910, Ginn and Co.
[7] Thuras. A. L., Jenkins. R. T., u. O'Neil, H. T.: Extraneous frequencies generated in an air carrying intense sound pressures. J. Acoust. Soc. Amer. Bd. 6 (1935) S. 173
[8] Goldstein, S., u. McLachlan, N. W.: Sound waves of finite amplitude in an exponential horn. J. Acoust. Soc. Amer. Bd. 6 (1935) S. 275
[9] Wente,E.C.,u.Thuras, A.L.:Symposium on auditory perspective: loudspeakers and microphones. AIEE Trans. Bd. 53 (1934) S.z14
[10] Moir, J.: Doppler distortion in loudspeakers. Hi Fi News Jan. 1967

Leider fehlt mir das Original um den Text besser korigieren und die dazugehörigen Bilder einstellen zu können.

Gruß
Jürgen
« Letzte Änderung: 25. Apr. 2007, 20:02 von Jürgen Heiliger »

Jürgen Heiliger

  • Gast
Re: Modulationsverzerrungen in Lautsprechern
« Antwort #1 am: 21. Apr. 2007, 13:42 »
Dazu passend wie ich meine ein Interview mit ihm.....

Zitat
© Klipsch Prospekt und SONDERDRUCK AUS HEFT 9/1977 Klangbild, aus dem Archiv Michael Otto

INTERVIEW MIT PAUL KLIPSCH, EINEM PIONIER DER LAUTSPRECHERENTWICKLUNG/ VON FRANZ SCHÜLER

in den vorangegangenen Folgen dieser „KIangBild"-Serie über Probleme des Lautsprecherbaus kamen bisher Dr. Oskar Heil (Entwickler des „air-motion transformer"), Dezember 1976, Friedrich Müller (Konstrukteur des Backes & Müller Monitor V nachdem Prinzip der kapazitiven Membranabtastung), Januar 1977, und Klaus-Dieter Heinz (Entwickler von Direktstrahlern fürdie Berliner Firma Arcus), März 1977, zu Wort. Diesmal bringen wir ein Gespräch mit Paul W. Klipsch, einem der „grand old men" der High-Fidelity-Industrie und wohl bekanntesten Vertreter des HornPrinzips für Lautsprecher. Klipsch, laut „Consumer Electronics Monthly" Elektroingenieur, Geophysiker, Colonel, Meisterschütze, Experte für Lokomotiven, Audio-Ingenieur und Entwickler des berühmten Klipschorn, ist vielleicht einer der genialsten Bastler unter allen Lautsprecher-Konstrukteuren, und daß er sein Klipschorn prinzipiell nicht verändern werde, solange sich nicht die Physik ändere, gehört zu seinen bekanntesten Aussprüchen. Eine seiner wichtigsten Erkenntnisse -daß man die Klangverfärbungen in Lautsprechern, die aufgrund von Amplitudenmodulation entstehen und zu sogenannten Partialschwingungen führen, soweit wie möglich reduzieren müsse - ist bis heute nicht überholt. Bekannte Entwickler wie Dr. Oskar Heil oder Raymond Cooke haben diese Tatsache immer wieder aufgrund physikalischtheoretischer Überlegungen und praktischer Messungen bestätigen können. Das folgende Gespräch führte „KlangBild"-Autor Franz Schöler mit Paul Klipsch anläßlich seines Besuchs im Juni dieses Jahres in Frankfurt.



Schöler: Könnten Sie uns zunächst erzählen, wie in graben Zügen die Entwicklung des Lautsprechers verlief?

Klipsch: Die Literatur über Lautsprecher datiert mindestens auf das Jahr 1919 zurück. Damals veröffentlichte Dr. Webster eine Studie über das HornPrinzip in Verbindung mit Edisons Phonograph. Grundsätzliche Arbeiten über das Horn und den Direktabstrahler publizierten auch Hanna und Slepian von der Westinghouse Company. Ihre Studie aus dem Jahre 1924 war ziemlich gut. 1925 entwickelten Rice und Kellogg den ersten Direktstrahler. 1928 schrieb Kellogg eine andere Arbeit über hohe Lautstärken bei tiefen Frequenzen. Hohe Leistung bedeutete damals 1 Watt! Und die gemeinte tiefe Frequenz war 30 Hz. Er beschrieb verschiedene Arten, wie man damit arbeiten könne, darunter auch das Horn als ein Gerät mit hohem Wirkungsgrad. Der große Durchbruch kam Ende der zwanziger Jahre mit der Erfindung des Tonfilms

"We recognize the fact that distortion is approximately inversely proportional to efficiency and that high and uniform efficiency relates to `flatness' or uniformity of output with respect to frequency or so-called `flat response'. After making thousands of response and distortion measurements we realize the truth of these relationships. So ... we aver that quality is proportional to efficiency. Aren't you glad we build efficient loudspeakers?"
Paul Klipsch („. . . der Grad an Verzerrung ist annähernd umgekehrt proportional dem Wirkungsgrad ... Wir behaupten, daß Qualität proportional dem Wirkungsgrad ist . . .") bzw. der Platte, die als Illustrationsmusik zu Filmen gespielt wurde. Harry F. Olson von RCA entwarf - der Legende nach auf der Rückseite eines Briefumschlags - einen tubenähnlichen Lautsprecher, der ein gefaltetes TieftonHorn war. Altec wurde gegründet, als Western Electric (Patenthalter des „Westrex"-Klangsystems für den Tonfilm, Anm. d. Red.) an der amerikanischen Westküste, wo die Filme bekanntlich in Hollywood gemacht wurden, einen Hersteller für Tonfilmwiedergabe brauchte. James B. Lansing gründete die Firma, und die Tochterfirma dieser Gesellschaft nannten sie Electric Research Products Company. Diese entwickelte sich in eine neue Company mit dem Namen All Technical Services, abgekürzt Altec Lansing. Es war nicht schlecht, was die damals bauten. Douglas Shearer von der Filmfirma MGM schlug damals Zweiweg-Lautsprecher vor. Seine Schwester war übrigens der damals berühmte Hollywoodstar Norma Shearer.
In den frühen dreißigerJahren experimentierten die Bell Telephone Laboratories mit einem System, das heute als „Stereophonie" bekannt ist. Sie veröffentlichten eine ganze Reihe von Studien über das Problem der Hörperspektive im Januar 1934. Meiner Meinung nach ist dieses Bündel von Studien immer noch das Alte Testament vonAudio und High-Fidelity. Was immer man über Audio-Aufnahme und HighFidelity kapiert haben muß - angefangen bei Mikrofonen bis hin zu guten Lautsprechern, geometrischen Anordnungen bei der Aufnahme und Wiedergabe -, ist in diesen fundamentalen Arbeiten schon enthalten.
Der erste Lautsprecher, den ich baute, sollte einen Frequenzumfang von 50 bis 800 Hz haben. Er hatte aber nur einen von 100 bis 200 Hz. Als ich genug über Formen der Mund-Öffnung des Horns gelernt hatte, begriff ich auch, daß dieser Lautsprecher niemals Frequenzen bis 800 Hz würde abstrahlen können. Aber durch Verfeinerung erreichte ich wenigstens, daß er bis 400 Hz reichte. Mein erstes Mittelton-Horn - ob Sie's glauben oder nicht-funktionierte sehr gut und war ein Erfolg. Und mein zweites Tiefton-Horn, das ich in meinem Leben baute, wurde der Prototyp für die Hörner, die wir heute noch benützen. Das zweite Mittelton- oder wenn Sie so wollen, Hochton-Horn war, ein kompletter Fehlschlag. Es war nämlich gefaltet, und der Frequenzgang wies furchtbare Buckel auf. Anstatt es richtig durchzumessen und für fernere Generation aufzubewahren, hab' ich's verbrannt. Leider. Mein drittes MittelHochton-Horn war so gut, daß wir es 18 Jahre lang benutzten, nämlich genauso lange, bis die Patente daran ausliefen. Zu dem Zeitpunkt fand ich ein besseres Horn für diesen Frequenzbereich. Und zwar im Papierkorb eines Konkurrenten: als Entwurf. Ich glaube, es war Phil Williams von Jensen, der sagte: „Oh, das ist ein Horn, das wir für eine andere Gesellschaft entwickelt haben. Aber denen ist das zu gut, und es kostet zuviel. Warum nehmt ihr den Prototyp nicht mit nach Hause und spielt ein bißchen damit herum?" Wir probierten das Horn aus, es war sehr gut. Sie gaber uns die Patente und fanden eine Company, die das Ding für uns baute, und verkauften uns später sogar die Patente für ein Zehntel dessen, was sie die Entwicklung und Patentierung gekostet hatte! Als auch die Patente daran ausliefen, entwickelten wir neue Hörner, die auf diesem Design basierten, nämlich unsere 100er-Serie von Hörnern, die heute noch Verwendung finden.

Schöler: Haben Sie das benutzte Prinzip in diesen letzten dreißig Jahren seit 1946 so verfeinert, daß man von wesentlichen Änderungen sprechen kann?

Klipsch: Nein, es waren nur Detailsachen. Die Verbesserungen bezogen sich meist auf die Treiber-Konstruktion.

Schöler: Glauben Sie, daß das Horn Prinzip das absolute und beste ist? Wir begannen diese Serie über Lautsprecher mit der programmatischen Behauptung vonDr. Oskar Heil, daß es kein absolutes Prinzip der Wandlung von elektrischen in akustische Signale gebe. Daß es mehrere Wege gebe, einen möglichst exakten elektroakustischen Wandler zu entwickeln.

Klipsch: Ja, letzteres ist natürlich die Hauptaufgabe: Luft so exakt bewegen zu können, daß das konservierte Signal in seine ursprüngliche Form zurückverwandelt wird. Das heißt aber auch: mit den minimalsten aller möglichen Verzerrungen und Klangverfärbungen! Ich kann beweisen, daß das Horn um ein Vielfaches weniger Verzerrungen aufweist als die typischen Direktstrahler, die heute massenweise gekauft werden. Man kann einen Direktstrahler bauen, der noch weniger Verzerrung aufweist als ein Horn, aber der würde ungeheuer groß - und viel teurer! Der Wirkungsgrad der Direktstrahler heute liegt bei rund 5 Prozent. Manche behaupten,an könne auch Direktstrahler mit 10 oder 20 Prozent Wirkungsgrad bauen, aber die möchte ich erst einmal sehen. Bei Hornsystemen ist dieser hohe Wirkungsgrad leicht zu erzielen, sogar 40 Prozent sind möglich. Nach all meinen Erfahrungen und Messungen sind Wirkungsgrad und Verzerrungen aller Art umgekehrt proportional zueinander: Bei höherem Wirkungsgrad reduziert man die Verzerrungen, und je geringer der Wirkungsgrad eines Lautsprechers, um so höher die Verzerrungen und letztlich die Klangverfärbungen. Verglichen miteinem Direktstrahlervon 1 Prozent Wirkungsgrad, sind die Verzerrungen bei einem Hornlautsprecher von „nur" 10 Prozent Wirkungsgrad zehnmal geringer! Es ist meiner Meinung nach sinnvoller, verzerrungsarme Lautsprecher hohen Wirkungsgrads als 10000Watt-Verstärker mit großen Leistungsreserven zu bauen. Ich spreche ungern über Lautsprecherkonstruktionen anderer Entwickler. Aber nehmen wir einmal den Heil-„air-motion transformer". Die gemessenen Verzerrungen sind tatsächlich sehr, sehr gering, ähnlich wie die eines Mittel-/HochtonHorns. Aber der Wirkungsgrad ist nicht so hoch. Darum ziehe ich persönlich den Horn-Typ vor. Für den Mitten- und den Hochton-Bereich benutze ich in all unseren Lautsprechern das Hornprinzip.

Schöler: Welches sind die wichtigsten Gründe für Unlinearitäten und Verzerrungen in Lautsprechern?

Klipsch: Schon die Nachgiebigkeit der Membrane in Abhängigkeit von der Art der Aufhängung ist nicht linear. Wenn man in einer grafischen Darstellung Auslenkung und aufgewendete Kraft zueinander ins Verhältnis setzt, ergibt sich eine S-förmige Kurve. Es müßte aber eine gerade Linie sein! Die Auslenkung der Membrane ist also nicht überall direkt proportional zur aufgewandten Kraft. Das heißt, während des Wandlervorgangs treten Amplitudenmodulationsverzerrungen auf. Viele Boxenkonstrukteure reden oft von „harmonischen Verzerrungen" im Lautsprecher. Worauf ich sage: na und? Musik ist voll von Harmonischen, und wenn ein Lautsprecher die nicht absolut getreu wiedergibt, ist das nicht so gravierend im Höreindruck wie die Verzerrungen infolge unkorrekt ausgeführterAmplituden der Auslenkung. Die Nichtlinearitäten, die die harmonischen Verzerrungen einführen, produzieren auch Modulationsverzerrungen. Stellen Sie sich einmal folgendes vor: Man gibt zwei Frequenzen f,, und f2 auf den Lautsprecher. Abgestrahlt aber werden nicht nur fl und f2, sondern auch f, + f2, f, - f2, fl + 2fz, f, -2f2 und so weiter. Die Frequenzen modulieren sich beim Ein- und Ausschwingvorgang der Membrane - wobei Frequenz und ihre Amplitude jeweils eine Rolle spielen. Die unerwünschten Mischprodukte bringen den „harschen" und unnatürlichen Klang und führen auf seiten des Zuhörers zu Ermüdungserscheinungen. In vielen Direktstrahlern übertrifft der Anteil an Amplitudenmodulationsverzerrungen bei weitem die Verfärbungen durch Frequenzmodulationen, in anderen, allerdings sowieso verzerrungsfreieren Lautsprechern ist der Anteil an Verzerrungen durch Frequenzmodulation höher. Die Gesamtverzerrungen bei einem Klipschorn sind sehr gering, und die Verzerrungen, die überhaupt bei die fast ausschließlich durch Frequenzmodulation. Man hat - meiner Meinung nach mit dem nicht ganz korrekten Begriff Doppler-Verzerrungen - auf Klangverfärbungen hingewiesen, die dadurch entstehen, daß Membranauslenkungen unterhalb des Hörbereichs bei sagen wir einmal 14 Hz (wie sie durch Baßeigenresonanzen von der Tonarm/Tonabnehmer-Kombination entstehen können) die von derselben Membrane abgestrahlten höheren Frequenzen modulieren. Durch Bewegungen der Membrane im subsonischen Bereich treten also auch Klangverfärbungen auf, die „motional distortion". Man muß sich auch darüber klarwerden, daß alle auf den Plattenspieler unerwünschterweise einwirkenden mechanischen und akustischen Erschütterungen ihrerseits eine Bewegung der Membrane auslösen können und oft auch tun. Unhörbare Frequenzen modulieren so die hörbaren! Man hört dann Sachen, die nicht dasein sollten

Schöler: Kann man durch einen Equalizer Nichtlinearitäten des Lautsprechers kompensieren?

Klipsch: Nein, man kann zwar die Amplitude von Spannung gemessen gegen Frequenz equalizieren, aber nicht die einem Lautsprecher inhärenten Verzerrungen. Ich will es einmal mit einem Vergleich aus der Fotografie beschreiben: Wenn man ein Foto mit einer schlechten und nicht absolut klar und tiefenscharf einzustellenden Linse aufgenommen hat, wird das Bild zwangsläufig unscharf und verschwommen sein. Jetzt hat jemand mal vorgeschlagen, eben dieses Foto durch dieselbe Linse zurückzukopieren, um so das aufgenommene Objekt in seiner ganzen Schärfe wiedererstehen zu lassen. Das geht aber nicht. Das Foto wird nur doppelt so unscharf! Verzerrungen häufen sich nur, sie löschen sich nie kompensierend aus. Ich mag nicht mal einen Lautsprecher- Frequenzgang durch Equalizer linearisieren, weil man ihn nicht wirklich für jeden Punkt des Hörraums perfekt equalizieren kann, wie die eingangs genannten Grundsatzstudien der Bell Telephone Laboratories ausführlich dargelegt haben. Durch einen grafischen Equalizer kann man unter den nun mal gegebenen Raumverhältnissen womöglich mehrverschlechtern als verbessern! Um es pointiert zu formulieren: Man equaliziert das Klangbild perfekt fürs rechte, aber nicht fürs linke Ohr.

Schöler: Physiker behaupten, innerhalb der Membrane entstehen während der Bewegung, also Auslenkung durch tonfrequente Wechselspannung, schon
materialbedingte Klangverfärbungen. Denn das Material ist nie so steif und bewegt sich nicht so uniform, daß Reibungen innerhalb des Materials ausgeschlossen wären. Eine absoluthomogene Bewegung wäre aber die Voraussetzung für Verzerrungsfreiheit.

Klipsch: Okay, wenn sich eine Membran bewegt, produziert sie Verzerrungen. Das kann man mit einer mathematischen Formel exakt erfassen, und die Tatsache läßt sich überhaupt nicht verhindern. Der Trick kann dann nur darin bestehen, die Amplitude der Auslenkung so klein wie möglich zu halten; wobei natürlich der erzeugte Schalldruck ungeheuer klein wird. Man muß ihn wieder „verstärken", und das tut das Horn! Durch eine definierte Menge Luft wird die Membrane „geladen", so daß sie keine so großen Auslenkungen durchführen kann. Diese von einer relativ kleineren und damit verzerrungsfreier arbeitenden Membrane in Bewegung gesetzte Luft ergibt den saubereren Klang. Bei Direktstrahlern muß die Fläche immer weiter vergrößert werden, aber der Richteffektwird-beispielsweise gerade bei Elektrostaten - immer stärker.

Schöler: Es gibt viele - auch viele kontroverse - Methoden, Lautsprecher in ihrer technisch gesehenen Wiedergabequalität zu messen. Warum ist dann das Ohr immer noch absolut gesehen das beste „Meß"-Instrument für die klangliche Beurteilung von Lautsprechern ?

Klipsch: Das Ohr ist letzten Endes der Richter, aber ein schrecklich armseliges Meßgerät. Es hat einen Dynamikumfang von 120 dB und unter günstigen Umständen eine Empfindlichkeit von ± 3 dB; Meßgeräte sind da weitaus empfindlicher. Als wir zunächst Lautsprecher gemessen haben, ermittelten wir den Frequenzgang, also Spannung gegen Frequenz gemessen. Der Lautsprecher mit dem glatteren Frequenzgang war meßtechnisch gesehen der bessere, aber der mit dem buckligeren Frequenzgang klang vielleicht besser. Die Frage war: warum?! So fanden wir heraus, daß Modulationsverzerrungen ungleich ungünstiger für das gehörte Klangbild sind als harmonische Verzerrungen. 1943 veröffentlichten zwei Jungs bei RCA, Bears und Belar, eine Studie über Frequenzmodulationen in Lautsprechern, die auf langwierigen und komplizierten Messungen basierte. Ein Beiprodukt der Rüstungstechnik des Zweiten Weltkriegs war der Spectrum-Analyzer, mit dem man die Modulationsverzerrungen eines Lautsprechers in vierzig Sekunden messen konnte. Erst als ich 1967 in einer langen Studie darlegte, daß Modulationsverzerrungen den „schmutzigen" Klang verursachen, begann sich die Erkenntnis auf breiter Basis bei Entwicklern durchzusetzen. Natürlich kritisierte man mich. Eine Zeitschrift behauptete sogar, Modulationsverzerrungen seien ein Papiertiger, und selbst wenn sie existierten, könnte man sie nicht hören. Aber ich konnte das Gegenteil beweisen. Grob gesprochen, kann man Amplitudenmodulationsverzerrungen, die durch unterschiedliche Auslenkung der Membran bei diversen Frequenzen entstehen, mit der „transient intermodulation distortion" (TIM) von Verstärkern vergleichen. Eine zu geringe Anstiegsund Einschwingzeit (slew rate und rise time), mit der das Signal den Verstärker durchläuft, ist - wirklich grob analog gesprochen - ähnlich den durch verzögertes Einschwingen der Membrane verursachten Klangverfälschungen. Das Ohr hört solche Formen von Verzerrungen ungeheuer genau. Ich muß gestehen, daß ich das letztes Jahr noch nicht geglaubt hätte. Aber jetzt weiß ich es. Wir haben Messungen bezüglich TIM an Verstärkern durchgeführt, und ich muß sagen: Ich mit meinen 73 Jahre alten Ohren konnte diese winzigen Verzerrungsanteile infolge von „transient intermodulation" hören. Durch einen Lautsprecher, der selber 1 Prozent Verzerrung macht!!! das Ohr ist ein kritisches Meßinstrument. Es gibt uns keine Prozentzahlen an, aber es sagt uns, ob Verzerrungen da sind oder nicht. Ja, das Ohr ist -jedenfalls für einen geschulten Zuhörer -das beste Bewertungsinstrument. Am Ende ist es ja auch das Ohr, das man klanglich zufriedenstellen will.

Schöler: Die spezifische Akustik eines Raums spielt doch eine große Rolle, und sie kann bekanntlich auch gute Lautsprecher schlecht „klingen` lassen.

Klipsch: Okay, wir leben in Räumen, und es gibt sicher gute und schlechte Räume für Musikwiedergabe über eine HiFi-Anlage. Aber erstens möchte ich ein Symphonieorchester nie in einem schalltoten Raum hören. Zweitens muß ich gestehen, daß ich jenseits der Grundsatzstudien der Bell Telephone Laboratories und der Tatsache, daß alle Lautsprecher in Ecken besser klingen, nicht viel über Raumakustik weiß. Das Problem werde ich in den nächsten Monaten genauer studieren müssen, denn ich möchte in meinem eigenen Abhörzimmer Aufnahmen mit meiner Frau Valerie machen.

Schöler: Lautsprecher-Entwickler machen auch Kompromisse, denn da: Endprodukt muß ja vermarktbar sein.

Klipsch: Meine Antwort darauf? Ein absolutes Design-Kriterium für den ersten Lautsprecher, den ich baute, war, daß er durch eine Haustür transportierbar sein mußte!
Schöler: Würden Sie sagen, daß Lautsprecher - leider - noch nicht die Wiedergabequalität der heute so hochgezüchteten Verstärkerelektronik besitzen? Mir kommt die VerstärkerlLautsprecher-Kombination immerso vor, als würde man an einen Maserati einen großen Wohnwagen anhängen.
Klipsch: Das ist eine interessante Analogie. Ich gebe zu, daß ein Lautsprecher wie unser Klipschorn bei 100 dB Schalldruck eine totale Modulationsverzerrung von 1 Prozent aufweist, und dabei handelt es sich um einen sehr guten Lautsprecher. Verzerrungen von 1 Prozent in einem Verstärker wären so unerträglich, daß man die Wände hochgehen würde. Es ist aber trotzdem merkwürdig, daß ein Lautsprecher bei 1 Prozent Klirr noch immer passabel klingt und außerdem Verzerrungen des Verstärkers durch Intermodulation in der Größenordnung von einigen hundertstel Prozent hörbar macht! Ich habe einen Freund in Boston, der sofort den Unterschied zwischen einem Marantz 9 und einem Mackintosh-60-Verstärker hören konnte. Er hatte ein HiFi-Studio, ließ den Kunden beliebig umschalten und konnte in 99 von 100 Umschalt-Fällen genau sagen, welcher Verstärker spielte. Er konnte nicht inhaltlich beschreiben, worin nun der Unterschied bestand, er hörte ihn einfach. Eines möchte ich aber noch sagen: Früher hat man den Lautsprecher als schwächstes Glied einer HiFi-Anlage bezeichnet. Heute sind die Aufnahmen in ihrer Multikanal-Technik für meine Begriffe so unnatürlich, daß man von wirklicher Klangtreue im Vergleich zu einem live erlebten Symphoniekonzert kaum noch reden kann.
Franz Schöler

Die von Paul W. Klipsch entwickelten Boxen, das sind: das Klipschorn, La Belle, La Scala, Cornwall und Europa, werden in Europa vertrieben von der Firma AUDIO INT'L Hermann Hoffmann, Postfach 56 02 29, 6000 Frankfurt 56.

Gruß
Jürgen

Offline Höhlenmaler

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Re: Modulationsverzerrungen in Lautsprechern
« Antwort #2 am: 21. Apr. 2007, 14:14 »

Diesem Inteview mit einem Experten, der sich verständlich mitteilen kann und dabei weitestgehend auf für den Laien unverständlichen Tech-Talk verzichtet,


  ein Hoch  - Hoch  :;031  - Hoch


Gruß Ingo . . . . . . . . Last FM

Offline beamter77

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Re: Modulationsverzerrungen in Lautsprechern
« Antwort #3 am: 21. Apr. 2007, 17:17 »
... gerade komme ich von einer Live-Session. Swing-Musik war angesagt.  :;013 Qualität der Darbietung - höchstenfalls zweitklassig. :;070 Für Freizeitmusiker jedoch mehr als annehmbar.  :;036 Das Fußwippen wollte bei mir nicht mehr

aufhören.

Augen zu - welcher "Lautsprecher" ? - Klipsch LaScala :,010

« Letzte Änderung: 21. Apr. 2007, 17:18 von beamter77 »
Die Lücke, die man hinterlässt, ersetzt einen vollkommen.
"Ich will frei sein", sprach die Marionette ... und schnitt ihre Fäden durch.
Klug ist jeder. Der eine vorher, der andere nachher.

Offline KSTR

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Re: Modulationsverzerrungen in Lautsprechern
« Antwort #4 am: 25. Apr. 2007, 19:07 »
Hallo,

Danke @Jürgen für diese zwei spannenden Dokumente. Leider schon sehr schade, dass v.A. die Formeln im ersten Text so zerschossen sind, kam das von OCR-Durchlauf nach dem Scannen?

EDIT: habe tatsächlich schnell das Original AES-Paper von Klipsch gefunden:
http://www.xs4all.nl/~elpee/KlipschVervorming.pdf
Ist etwas anders aufgebaut als die deutsche Übersetzung, aber inhaltlich offensichtlich praktisch gleich (nach erster Durchsicht)

Grüße, Klaus
« Letzte Änderung: 25. Apr. 2007, 19:20 von KSTR »

Jürgen Heiliger

  • Gast
Re: Modulationsverzerrungen in Lautsprechern
« Antwort #5 am: 25. Apr. 2007, 19:29 »
Hi Klaus,

erst mal herzlich  :wel: hier im Forum und gut wenn man einen hat der richtig zu Suchen versteht.....

Ich vermute auch das OCR die Formeln zerschossen hat, aber nun kann man ja mit Hilfe den Text, bzw. die Formeln wieder reparieren....

mal sehen ob's klappt.....

Gruß
Jürgen