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Alt 09.07.2012, 16:20   #1
Cay-Uwe
Sonus Natura
 
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Cay-Uwe ist zur Zeit noch ein unbeschriebenes Blatt
Standard Sonus Natura 131 ZR - White Paper "zeitrichtige" Lautsprecher

Da es immer wieder Diskussionen gibt, was nun ein "zeitrichtiger" Lautsprecher ist, haben wir uns bei Sonus Natura die Mühe gemacht zu diesen Thema ein kleines White Paper zu verfassen, das wir hier in Kurzform präsentieren möchten.

Die folgende Betrachtung geht von der Möglichkeit analoger Mittel aus und soll in einfacher Form dargestellt werden, um das Thema denjenigen die weniger technische Hintergründe kennen, zugänglich zu machen.

Doch bevor es in Details geht, muss erst mal geklärt werden, was ist ein Lautsprecher und wie sieht es um seine Übertragungseigenschaften aus.

Ein Lautsprecher sollte ein möglichst breites Frequenzspektrum von Signalen "unverfälscht" wiedergeben. Dazu gehört unter anderen, dass er einen ausgeglichenen Frequenzgang besitzt und dabei sollten die wiedergegebenen Frequenzen ohne Fehler wie Pegelunterschiede, Phasen- und Zeitverschiebungen wiedergegeben werden.

Idealisiert sieht das wie folgt aus:



Ideal bedeutet in diesen Fall, dass der Lautsprecher alle Frequenzen von 0 Hz ( DC, Gleichstrom ) bis unendlich hohe Frequenzen, wiedergeben muss.

Unter den Bedingung sieht die Sprungantwort eines solchen Lautsprechers wie folgt aus:



Man sieht, dass die Sprungantwort AUS ( = Lautsprecher ) identisch auf das Signal EIN reagiert.

So einen Lautsprecher kann es physisch gar nicht geben, denn unter Anderen müsste ein dynamischer Lautsprecher eine massenlose Membran besitzen um unendlich hohe Frequenzen zu übertragen.

Ein Lautsprecher ist eher ein Bandpass, sprich er kann in einen bestimmten Frequenzspektrum recht linear arbeiten, besitzt aber eine untere Grenzfrequenz ( fu ) im Tieftonbereich und eine obere Grenzfrequenz im Hochtonbereich ( fo ).

Für so einen Lautsprecher sieht der Frequenzgang wie folgt aus:



Man erkennt die untere und obere Grenzfrequenz, aber man sieht auch, dass gegenüber dem idealen Lautsprecher im Bereich der Grenzfrequenzen Phasenänderungen auftreten und der Schallpegel nachlässt. Es gibt aber auch ein Bereich in dem die Phase sehr konstant verlaufen könnte.

Dieser Lautsprecher würde folgende Sprungantwort aufweisen:



Man erkennt, dass die Sprungantwort AUS nicht mehr mit dem Sprung EIN übereinstimmt.

Erstens wird der Pegel vom Sprung EIN nicht gehalten sondern fällt zeitlich wieder ab. Das rührt daher, dass dieser Lautsprecher nicht in der Lage ist sehr tiefe Frequenzen, einschließlich 0 Hz ( Gleichstrom ) wiederzugeben.

Zweitens fällt auf, dass die Sprungantwort AUS schräg nach oben geht. Das ist der Tatsache zu verdanken, dass dieser Lautsprecher eine obere Grenzfrequenz besitzt.

Dieses Verhalten von Lautsprechern ist z.B. bei Flächenstrahlern oder Breitbänder zu finden, wie auch bei einzelnen Chassis.

Wie so oft, gibt es bei Breitbänder oder Flächenstrahlern, andere Probleme, wie z.B. untere oder obere Grenzfrequenz, Linearitäten, usw., weshalb es gängig ist, Mehrwege-Lautsprecher vor zu finden. Bei diesen Lautsprechern gibt es Spezialisten für den Tiefton ( Drums, Kontrabass, etc. ), Mittelton ( Sprache, Geige, Flöte, etc. ) und Hochton ( Schagzeugbecken, etc. ).

Das heißt, das Frequenzspektrum wird auf mehrere Chassis verteilt und über Phasen orientierte Lautsprecher wiedergegeben.

Dabei könnte der Frequenzgang eines solchen Lautsprechers wie folgt ausschauen:



Im ersten Ansatz sieht das Ganze sehr ähnlich aus wie bei den idealen Bandpass Lautsprecher.

Erst bei Betrachtung der Sprungantwort fällt auf, dass es Unterschiede gibt:



Die Sprungantwort AUS besitzt zwei "Zacken". Einen frühen schmalen nach unten und dann einen breiteren nach oben. Der erfahrene Leser erkennt sofort, dass dies ein 2-Wege Lautsprecher ist, mit verpolten Hochtöner. Der schmale "Zacken" nach unten ist die Sprungantwort des Hochtöners und etwas zeitlich versetzt kommt die Sprungantwort des Tieftöners als breiter "Zacken" nach oben.

Genau dieser Punkt ist die Diskussion wenn es um "zeitrichtige" Lautsprecher geht, denn ideal wäre, wenn die Sprungantwort wie bei den Bandpass-Lautsprecher ausschaut, also ein "Zacken" nach oben, der alle Signale, sprich alle Chassis wie Hoch- Mittel und Tieftöner, beinhaltet.

Dies zu erreichen ist der Ehrgeiz einiger Entwickler, da dies mitunter bei Mehrwege-Lautsprechern nicht ganz trivial ist.

Was im Wesentlichen zu beachten ist sind folgende Aspekte:

1. Was ist ein "zeitrichtiger" Lautsprecher ?
2. Was muss bei den Chassis beachtet werden ?
3. Wie sollte die Weiche gestaltet werden ?

Die erste Frage ist für uns einfach beantwortet:



Auch die zweite ist recht einfach geklärt:



und erst an der dritten wird es kniffelig:



Dieser letzte Punkt ist der schwierigste zu lösende in einen Mehrwege-Lautsprecher und das Bild zeigt als Beispiel einen 2-Wege Lautsprecher ( haben wir Sonus Natura 131 ZR genannt ).

Wie bereits gesagt, verhält sich jedes Chassis wie ein Bandpass, allerdings, wie der Name sagt Hochtöner für hohe Frequenzen, Tieftöner für tiefe Frequenzen.

Wenn man wie in diesen Beispiel zwei Chassis benutzt, dann sieht man, dass die Phase der einzelnen Chassis in einigen Bereich sich nicht ideal ergänzen, weil sie z.B. gegenphasig zueinander liegen ( Bereich -- ). Das heißt, die Signale würde sich bei gleicher Polung auslöschen. Dann gibt es Bereiche von leichten Auslöschungen ( Bereich - ) bei den evaluiert werden muss, ob es tragbar ist, da es letztendlich um den Gesamtfrequenzgang geht.
Die Bereiche in denen es eine gute Addition gibt ( + und ++ ) sind eher unkritisch.

Das ist aber die halbe Wahrheit, denn jede zugefügte analoge Frequenzweiche beeinflusst nicht nur den Pegel, sondern auch die Phase. So kann es passieren, dass ein Bereich "-" zu einen Bereich "--" wird und somit nicht geeignet ist. Dass dies nicht passiert, oder nur minimal, ist die Kunst bei der Entwicklung des "zeitrichtigen" Lautsprechers und im Prinzip könnten keine oder nur flache Filter die Lösung sein.

Bei unserer Sonus Natura 131 ZR z.B. arbeitet der Tief- Mitteltöner ohne Weiche im klassischen Sinn und es werden nur Notch-Filter benutzt um Frequenzgangüberhöhung zu glätten. Der Vorteil ist, dass der Mitteltöner praktisch ohne Phasenverschiebungen arbeitet.

Bei den Hochtöner sieht es anders aus, denn er muss schon aus Betriebssicherheit gegen tiefe Frequenzen geschützt werden. Daher wird er nur mit flachen Hochpassfiltern ( 6dB ) beschaltet.

Unter den Voraussetzungen sieht die Simulation des Frequenzgangs der Sonus Natura 131 ZR wie folgt aus:



Gut zu erkennen ist das der Gesamtfrequenzgang sehr ausgeglichen ausfällt und lediglich bei ca. 2 kHz erkennt man eine leichte, aber aus unserer Sicht tragbare, Auslöschung.

Dass diese Auslöschung tragbar ist, zeigt die Simulation unter Winkel:



Betrachtet man den Bereich um 2kHz kann man keine Unregelmäßigkeiten erkennen, was deutlich daraus zu sehen ist, dass unter Winkel bei 2 kHz keine Einbrüche oder Überhöhungen im Frequenzgang entstehen. Besonders bis 30 Grad verhält sich der Lautsprecher, selbst in einer Ausrichtung nach oben, sehr gut. Erst nach unten weißt der Lautsprecher insbesondere im Bereich von 3 - 5 kHz Einbrüche auf, die aber für einen Lautsprecher mit dieser Chassisanordnung normal ist. Da dies weit unterhalb der Hörachse geschieht ( in Bodenhöhe ) ist es für die Praxis nicht relevant.

Simulationen sind schön und gut, doch wie zeigt sich die Sonus Natura 131 ZR in unseren Versuchsaufbau in unseren Hörraum in 1 Meter Entfernung:



Man sieht deutlich die Ähnlichkeit mit der Simulation, außer oberhalb von 10 kHz bei den sich die Signale nicht 100 % addieren. Hier besteht gegenüber der Simulation noch etwas Handlungsbedarf. Glücklich sind wir mit dem Bereich um 2 kHz, der nicht so tragisch ausfiel wie es die Simulation vorhergesagt hat.

Und ist die Sonus Natura 131 ZR ein "zeitrichtiger" Lautsprecher ?

Antwort darüber gibt der Frequenzgang und Phase:



wie auch die Sprungantwort:



Da alle Messungen in unseren Hörraum durchgeführt worden sind, weißen diese natürlich auch die Raumeinflüsse mit auf, was zu einen etwas unruhigen Frequenzgang führt. Nichts desto trotz ist gut zu sehen, dass die Sonus Natura 131 ZR alle Voraussetzungen für einen "zeitrichtigen" Lautsprecher erfüllt.

Ich hoffe dieses Beispiel hat einige der offenen Fragen geklärt und für ein besseres Verständnis von analogen "zeitrichtigen" Lautsprechern gesorgt.
__________________
Gewerblicher Teilnehmer

Happy listening, Cay-Uwe.

www.sonus-natura.com

Geändert von Cay-Uwe (31.08.2013 um 07:59 Uhr). Grund: Ergänzugen und Korrekturen
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