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Das Konzept hinter der zeitkohärenten, bzw. zeitrichtigen oder auch
phasenrichtigen Schallwiedergabe in unseren Mehrweglautsprechern

 

Einleitung:

Das Ziel eines Schallwandlers ist es, das elektrische Musiksignal äquivalent in Schallwellen umzusetzen. Hierzu wäre ein einziger Lautsprecher ideal, der das Signal korrekt nach Betrag und Phase umsetzen kann. Ausserdem müsste er einerseits genügend Strahlerfläche besitzen, um tiefe Töne effizient an die Umgebung abzugeben, andererseits aber eine sehr leichte Membran aufweisen, um hohe Töne genau wiedergeben zu können.

Dies widerspricht sich natürlich Prinzip bedingt. Deshalb wählt man für beste Wiedergabequalität mehrere Töner aus, die jeweils "Spezialisten" in ihren Frequenzbereichen sind. Im Tieftonbereich kommen grosse Strahlerflächen mit höheren bewegten Massen zum Einsatz. Dahingegen werden für hohe und mittlere Frequenzen sehr leichte und harte Kalotten verwendet. Die grösste Herausforderung besteht darin, alle Töner eines solchen "Mehrweg-Schallwandlers" mit Hilfe einer Frequenzweiche korrekt miteinander verschmelzen zu lassen, so dass eine richtige Summenbildung nach Betrag und Phase entsteht.

Das Grundproblem ist der zeitliche Versatz der akustischen Zentren der gewählten Tönern als auch die zwangsläfig entstehenden Phasendrehungen der klassischen Frequenzweichenfilter.


Konzept:

Hierzu muss zunächst der Schall-Ursprungsort (das akustische Zentrum) von Hoch- Mittel- und Tieftöner den gleichen Abstand zum Betrachtungspunkt (Ohr am Hörplatz) haben. Zur Ortung von Schallereignissen bewertet unser Gehör nur etwa die erste Millisekunde des Signalreizes. Wenn die Signalform innerhalb der ersten Millisekunde aber entstellt ist, können wir die Schallquelle nicht mehr eindeutig orten, die räumliche Darstellung ist "diffus". Deshalb ist es unbedingt notwendig, dass die akustischen Zentren der Töner identisch sind, um eine korrekte Überlagerung der Signale zu ermöglichen (bitte beachten Sie dass eine schräge Schallwand nicht zwingend die akustischen Zentren auf eine Ebene bringt - oftmals ist das nur Design!) Nur so können Auslöschungen in diesem kritischen Zeitbereich (dem Einschwingen) vermieden werden. Desweiteren sollte die Übernahme zwischen zwei Tönern idealerweise ohne jede Phasendifferenz erfolgen. Da aber jedes Filter nicht nur einen Frequenzband, sondern auch den dazugehörigen Phasengang erzeugt, kann man sich dieser Forderung nur möglichst gut annähern. Der Begriff "Phase" darf hier allerdings nicht mit dem Zeitbegriff verwechselt werden. Zwei Beispiele sollen dies verdeutlichen:

1. Während mit Hilfe einer Allpass-Schaltung ein Signal um -180° gedreht werden kann, um die +180° voreilende Phase eines Hochpasses "zurückzudrehen", ist die Amplitude des Signals immer noch um eine halbe Periode vorgezogen, nur mit geändertem Vorzeichen. Dies entspricht also keineswegs der Amplitude des originalen Signals zur betrachteten Zeit.

2. Eine Phasendifferenz zwischen Hoch- und Tiefpass von 360°, 720°, usw. wird oft als perfekte Überlagerung interpretiert. Dies ist allerdings nur bei periodischen Signalen korrekt, bei denen jede Periode des laufenden Signals identisch ist (z.B. Sinus). Musiksignale sind natürlich keineswegs periodisch, sondern ändern sich ständig. Bei einer Laufzeitdifferenz entsprechend der 360° Phasendifferenz können sich also die Signale von Hoch- und Tiefpass unmöglich korrekt addieren. Hier wird das Signal des (Tief-) Mitteltöners mit dem bereits um eine Periode weiteren Hochtöners addiert. Die Summe ist nicht korrekt ...

Herkömmliche Filter zweiter oder höherer Ordnung weisen aber notwendigerweise eine solche hohe Phasendifferenz auf. Nach unserem Kenntnisstand ist es auch mit digitalen FIR-Filtern nicht möglich, die realen Laufzeiten der gefilterten Signale zu entzerren. In der Step-Response ist der Fehler gut zu sehen.

Es werden also Filterfunktionen benötigt, die möglichst geringe Phasendifferenzen ermöglichen. Nur so wird die korrekte Summenbildung näherungsweise erreicht. Weiter gilt es, die Trennfrequenzen (bei denen Phasendifferenzen am stärksten gehörmäßig auffallen würden) in die Bereiche zu legen, in denen unser Gehör nicht so empfindlich ist. So fallen geringe Phasenverzerrungen aufgrund von Verdeckungseffekten unter die Hörschwelle.


Zu den Chassis:

Die erforderlichen Filterfunktionen können nur im perfekten Zusammenspiel von elektrischer Beschaltung und akustischem Verhalten der Töner erreicht werden. Dazu müssen die Lautsprecherchassis einige Vorraussetzungen erfüllen:

Die Induktivität der Schwingspule muss gering sein, bei gleichzeitig niedriger elektrischer Güte und tiefer Grundresonanz. Dies lässt sich am hochwertigsten mit sehr kräftigen und langhubigen Unterhang-magnetsystemen erreichen. Desweiteren muss die Membran der Töner steif und rigide sein, damit sie keine Verformungsenergie aufnimmt, die beim Einschwingen zu Signalverlust führen würde. Auch das Resonanzverhalten der Membran muss den Anforderungen der Ziel-Übertragungsfunktion genügen.


Evaluierung:

Die korrekte Übertragung des gesamten Schallwandlers lässt sich durch Messungen der Step-Response und des Frequenzgangs darstellen. In der Step-Response sind bereits alle Informationen über das Zusammenspiel der Töner enthalten. Im Falle unserer surrounTec Produkte sind alle Anforderungen erfüllt:

1. Die akustischen Zentren liegen auf einem Kreisbogen
2. Die Schallanteile der einzelnen Töner können sich korrekt addieren
3. An den Übergangsfrequenzen wird die Phase korrekt angekoppelt, es entsteht eine lineare akustische Phase
4. Die Membranresonanzen werden mit Filtern ohne Einfluss auf die Phase analog entfernt

In der Konsequenz zeigen alle surrounTec Produkte eine gute Approximierung des theoretischen Ideals und eine nahezu ideale Sprungantwort.

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surrounTec mono Sprungantwort

 
      
 

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