Schallwellen

Der Schall soll aus einer einzigen Quelle kommen, doch das könnte nur ein imaginärer Punktstrahler.

Also ist auch das „Ein Quellen Prinzip“ nur eine technische Zielvorstellung. Aber, es gibt in der Audiotechnik immer Kompromisse, und die gesamte Geschichte des Lautsprechers zeigt, dass sich die Entwickler mit diesen Kompromissen gut angefreundet haben.

  1. Die „Single Source“ Lautsprecher könnten beispielsweise Breitbänder sein. Ein ganz berühmter ist der Auratone, ein ganz kleiner Studiomonitor, der gefühlte Ewigkeiten lang die Toningenieure bei ihrer Arbeit unterstützt hat und das zum Teil auch heute noch tut. Kaum ein Musikstück, das in seiner Entstehungsgeschichte nicht irgendwo und irgendwann mit diesem Würfel in Kontakt gekommen ist. Er besteht aus einem 5″-Speaker und einem Gehäuse. Der sollte doch der „Ein-Quellen-Lautsprecher“ mit dem geringsten Kompromiss sein. Ja und nein. Betrachten wir seine Membran. In Nullstellung steht sie in der Mitte zwischen den Auslenkungen nach vorne und hinten. Im Betrieb wird die Membran ausgelenkt. Das gilt für alle Frequenzen. Wer aber ganz streng am idealen Lautsprecher dranbleiben will, der stellt die Forderung: Wird der Lautsprecher durch Bass oder Tiefmitten ausgelenkt, dann muss die Hochtonabstrahlung immer noch aus der „Null“-Stellung kommen. Ist das nicht der Fall, führt das zu Doppler-Verzerrungen, weil die Höhen nun von einer bewegten Quelle abgestrahlt werden. Das aber führt zu Tonhöhenverschiebungen, wie man sie – allerdings deutlich extremer – auch von Polizei- oder Rettungswagen mit Martinshorn kennt. In der Tat passiert ähnliches auch mit den hohen Tönen bei Breitbandlautsprechern, wenn diese große Hübe machen müssen.
  2. Ein Flachmembranlautsprecher hat diese Doppler-Verzerrungen auch. Das ist auch nicht seine konstruktive Zielvorstellung, denn Flachmembranlautsprecher werden an praktisch jeder Stelle der Membran angetrieben und sind extrem impulstreu. Es gibt sie als Magnetostaten und als Elektrostaten. Um einen etwas höheren Wirkungsgrad im tieferen Bereich zu erhalten, müssen sie sehr gross sein und schon damit verstossen sie gegen das „Ein-Quellen-Prinzip“ und sind von der Vorstellung eines Punktstrahlers naturgemäß weit entfernt. Allerdings sieht man sie in sehr erfolgreichen Anwendungen im Hochtonbereich, wo sie dank neuester Materialien ihre Stärken auspielen können.
  3. Das Line Array ist tatsächlich eine gute Näherung an den Ein-Quellen-Lautsprecher. Das wird durch die im Idealfall kohärente Wellenfront erreicht. Darüber schreiben wir in jedem Heft und lassen es jetzt einfach einmal so stehen. Aber, obwohl in den Line Arrays immer sehr viele Chassis und Treiber verbaut werden, ist dieses Konstruktionsprinzip – scheinbar paradoxerweise – eine sehr gute Näherung an das Ein-Quellen Prinzip.
  4. Die neue Generation von Säulenlautsprechern geht in dieselbe Richtung. Ob mit oder ohne Beam-Steering können Sie die Ein-Quellen-Fähigkeit eindrucksvoll selbst überprüfen: Sie gehen mit einem Mikrofon dicht an diese Säule und es gibt nur ganz wenig oder kein Feedback. Das ist nicht besonders rätselhaft, denn durch die Nähe des Mikros zur Säule wird nur ein einziger der vielen Chassis vom Mikro aufgenommen und der strahlt für Feedback viel zu wenig Energie ab. Gehen wir weiter weg, dann erfasst das Mikro mehr Chassis, aber der Abstand ist ja auch schon grösser. Im realen Hörraum hören wir die Säule mehr oder weniger als eine einzige Quelle mit zylindrischer Wellenfront. Man sollte diese neuen Lautsprechersysteme auch als Line-Arrays auffassen.
  5. Der Koaxiallautsprecher hat einen Tieftöner und einen Hochtöner und die beiden sind auf der gemeinsamen Achse montiert. Gehen wir erst einmal auf die Dopplerverzerrungen ein. Die Höhen „fahren nicht auf den Bässen mit“, werden also nicht von einer ohnehin schon durch Bassfrequenzen bewegten Membran abgestrahlt. Der Hochtonantrieb ist entweder mechanisch am Ort der Ruhelage der Bassmembran platziert oder elektronisch so alignt, dass die Laufzeiten des Tief- und des Hochtonweges angeglichen sind.

Dopplerverzerrungen können im Prinzip noch im oberen Bereich entstehen, wenn eine Hochtonspitze auf dem Mitteltonbereich herumreitet. Damit aber kommt die Audiotechnik aber seit Jahrzehnten gut klar.

Die Lösung des Problems der Doppler-Verzerrungen ist tatsächlich eine Herausforderung bei der Konstruktion von Koaxiallautsprechern, denn es handelt sich nun um einen Zwei-Wege-Lautsprecher. Es gibt zwei Quellen und nicht nur eine. Ein anderes Problem ist manchmal das Horn des Hochtöners, das wertvolle Bereiche des Tiefmitteltöners abschattet und so ggf. die Mittenwiedergabe beeinträchtigt.

Nächstes Problem ist der Platzmangel. Das Horn darf oft nicht nach vorne herausragen. In der professionellen Beschallungstechnik kauft niemand eine Box, aus der vorne ein Horn herausguckt. Alles muss im Rahmen des Tieftonchassis bleiben, wobei man nach hinten schon ein wenig Luft hat, denn dort stört der Treiber des Hochtonhorns am wenigsten.

Der Hochtöner, wenn er klein genug ist, kann auch vor der Membran des Basschassis sitzen, er kann aber auch von hinten durch eine Bohrung in der Magnetstruktur des Basschassis schiessen. Das bedeutet aber: Er kommt entweder zu früh oder zu spät. Das aber ist bestimmt kein Ein-Quellen-Prinzip. Und insgesamt muss alles, wie auch immer montiert, sehr kompakt sein. So kann man schon von vornherein sagen, dass eine Koaxbox nicht die Aufgabe hat, Rekordschalldrücke zu erreichen. Aber, ein schlechter Wirkungsgrad ist genau so unerwünscht. In der Praxis wissen alle Anwender seit Langem, was man von einem Koax erwarten kann, und man setzt diese Lautsprecher dementsprechend ein. Trotzdem gibt es bei Koaxialsystemen spannende Neuigkeiten. Die Laufzeitdifferenz zwischen Bass und Hochtöner ist als Problem erledigt. Nicht nur Digitalcontroller passen die beiden Wandler hochpräzise aneinander an, sondern auch die mechanische Ausführung hat sich im Lauf der Jahre deutlich verbessert. Auch die Phasenprobleme im Übernahmebereich der beiden Wandler kann man digital und mechanisch in den Griff bekommen. Wenn das alles so klappt, wie man es sich wünscht, dann ist man dem Ein-Quellen-Prinzip ungewöhnlich nahe.

Das Ergebnis unserer Suche nach dem Ein-Quellen-Prinzip sind also Line-Arrays, die tatsächlich eine kohärente, zylindrische Wellenfront aufbauen und Koaxiallautsprecher. Nebenbei bemerkt haben wir damit Lautsprecher in Form von Line Arrays speziell für allerhöchste Lautstärken und für Vieles darunter eben die Koaxialsysteme.