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Warum regeln wir die Lautsprecher mit Sensoren? Wenn man mit unseren Lautsprechern Musik hört, dann fragt man sich, warum das so grundlegend anders ist als üblicher Lautsprecherklang. Der Grund ist einfach: Wir kümmern uns erst einmal um die wichtigen Fragen. Vorbemerkung Lautsprecher sollen Klänge nicht produzieren, sondern reproduzieren. Im Gegensatz zu Musikinstrumenten sollen sie also weder schwingen noch klingen. (Damit entfallen etwa zwei Drittel der Gesprächsthemen über Boxenbau.) Sie sollen das Musiksignal einfach nur abbilden, ohne etwas hinzuzufügen, wegzulassen oder zu verändern. Sie sollen nicht "schwingen",  sondern mit mechanischer Bewegung der Schalldruckkurve folgen, die das Musiksignal vorgibt. Zum Beispiel innerhalb einer Millisekunde (!) fehlerfrei einer solchen Bahn, und das bei Beschleunigungen bis 100 g (!):  (Beispiel aus einem realen Musikstück.) Man kann sich leicht vorstellen, dass so etwas mit einfacher Mechanik nicht gehen kann. Dann beeinflussen natürlich Trägheit, elastische Rückstellkräfte und Dämpfung die Bewegung. Technisch heißen diese Abweichungen "lineare" Fehler, und sind leicht zu messen als Frequenz- und Phasenverläufe. (Lineare Fehler sind schon mit Filterung zu verbessern, mit Regelung sogar zu beseitigen.) Ein Musiksignal (Luftdruckänderungen, Membranbewegung) hat übrigens keine Frequenz und keine Phase. Es ist einfach eine Kurve, die vom Lautsprecher fehlerfrei nachgefahren werden soll. (Anmerkung zu "Frequenzen", "Magnituden", "Phasen") Das Grundproblem jenseits von Frequenz und Phase. Das Prinzip des dynamischen Lautsprechers ist 150 Jahre alt und hat erstaunlich gute Voraussetzungen für linearen Frequenz- und Phasenverlauf. Es hat allerdings ein grundsätzliches Problem, das sich mit Sensoren und Regelung aber überwinden lässt.  Der Lautsprecher ist eine Spule in einem Magneten. Sobald Strom durch die Spule fließt, bewegt sich diese und über die Membran wird dann die Luft bewegt. Die Bewegung der Spule soll dabei möglichst genau dem Strom entsprechen. In der Praxis stimmt das schon deshalb nicht, weil Spule und Membran nicht frei in der Luft schweben, sondern über Gummisicke und Gewebezentrierung elastisch eingespannt sind. Weil aber auch Spule und Magnet nicht unendlich groß sind, haben auch diese nur einen begrenzten Arbeitsbereich.  Viele Fehler, die als Zahlenwerte oder in Diagrammen angegeben werden können, haben ihre Ursache in diesem begrenzten Arbeitsbereich, wie man in einfachen Versuchen zeigen kann: |
Erster
Versuch. Wir messen mit einem handelsüblichen Laser-Abstandsmesser die Auslenkung der Membran und gleichzeitig den Strom, der bei dieser Auslenkung durch die Spule fließt. (Testobjekt war ein bekannter 18 cm "Langhub"-Tieftöner.) Den Strom und die zugehörige Auslenkung schreiben wir dann als Kurve auf einen Bildschirm:  Senkrecht: Strom durch die Spule in Ampere, waagrecht: Zugehörige Auslenkung der Membran in Millimeter. Die eingezeichnete blaue Linie wäre die korrekte Bewegung, also der eigentlich notwendige proportionale Zusammenhang zwischen Strom und Auslenkung. Die grüne Kurve ist die gemessene tatsächliche Auslenkung. Diese weicht schon ab etwa 1 mm Hub deutlich von der Solllinie ab und ist ab etwa 3 mm völlig daneben. Dazu kommt noch eine Hystereseschleife. Sie bedeutet, dass die Membran auf dem Weg nach vorne einer anderen Kurve folgt als auf dem Rückweg. (Grund ist, dass Gummisicke und Zentrierung keine ideale Feder sind, sondern bei einer Dehnung auch plastisch verformt werden.) |
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Zweiter Versuch. Klingt das Wort "Kennlinie" zu abstrakt? Man kann genau das gleiche Ergebnis auch so zeigen, dass dieser Begriff nicht auftaucht: Über einen Verstärker geben wir einen Sinuston von 30 Hertz auf das Chassis und schauen wieder mit dem Laser-Distanzmessgerät, wie sich die Membran tatsächlich bewegt.  Obere Kurve: Der eingespeiste Strom ist eine saubere Sinuskurve. Untere Kurve: Was der ungeregelte Lautsprecher daraus macht, hat allenfalls noch Ähnlichkeit damit. (Man kann sogar abschätzen, was da passiert ist : Die Antriebskraft der Spule lässt schon bei dieser geringen Auslenkung so stark nach, dass die "Spitzen" des Sinus sichtbar abgeflacht werden. (s. "Kennlinie") Wie ein gestauchter Sinus klingt? "Warm, körperhaft, kaftvoll. kernig"? Oder einfach nur "falsch"? |
| Dritter
Versuch. Wir spielen einen höheren und einen tieferen Ton gleichzeitig, also das, was bei Musik ständig der Fall ist.  Die beiden Schwingungen addieren sich zu einer Summenkurve.  Wenn diese Addition nun nicht als Schalldruck in der Luft oder elektrisch stattfindet, sondern im Lautsprecher mechanisch ausgeführt wird, dann ergibt sich als Summe folgendes Bild:  Die vom Verstärker eingespeisten Ströme sind noch völlig korrekt (oben), nur die Summe in der mechanischen Bewegung ist falsch (unten). Schon beim einfachen Anschauen erkennt man, dass die Amplitude des höheren Tons mit der Auslenkung des tieferen schwankt. Auch ist die Amplitude des tiefen Tons wieder oben und unten abgeflacht. |
Fazit.
Wie klingt das? Solche Verformungen einer Sinuskurve ändern die Klangfarben der Instrumente, werden gelegentlich aber als "warm" oder "kraftvoll" empfunden und können von Konstrukteuren gezielt dafür eingesetzt werden. Die Verkopplung verschiedener Töne ist der ständige Begleiter, der ungeregelte Systeme nach "Lautsprecher" klingen lässt. Denn natürliche Klänge sind nun einmal völlig unabhängig voneinander, während die Mechanik eines Lautsprechers ohne Sensorführung alles in einen Topf ("in ein Magnetsystem") wirft. |
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Versuch
2, jetzt aber mit Regelung. Das Bild ist wieder die Membranbewegung aus dem zweiten Versuch: Der Verstärker liefert einen sauberen Sinus und das Chassis deformiert diesen zu irgend einer wellenähnlichen Bewegung: Der gleiche Versuchsaufbau, jedoch mit unserer Bewegungsregelung zeigt anschaulich das Prinzip von Regelung:  Jetzt hat der Strom eine seltsame Kurvenform, während die Bewegung korrekt ist. Der Strom untersteht jetzt nämlich dem Kommando des Sensors und hat nur noch die Korrekturen zu liefern, um die Membran auf der richtigen Bahn zu führen. (Einzelne Korrekturen kann man sogar an der Stromkurve erkennen: An den Spitzen gibt der Sensor "mehr Gas", um das dort schwächer werdende Magnetfeld auszugleichen und insgesamt ist die Stromkurve auf der x-Achse leicht verschoben, um die Phasenverschiebungen aus Trägheit und Rückstellkräften der Mechanik zu korrigieren. |
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Wir
verlassen jetzt den Zeitbereich. Bis jetzt haben wir Bewegungskurven gezeigt, also wie sich die Membran im "Zeitbereich" bewegt. Das ist besonders aufschlussreich, um Ursachen und Zusammenhänge zu erkennen und bei Lautsprechern schon deshalb praktisch, weil hier die Fehler so groß sind, dass man sie an den Kurven unmittelbar sehen kann. Um Wellen und Schwingungen aber analysieren und in Zahlen und Diagrammen schreiben zu können, muss man sie mit mathematischen Verfahren erst einmal in den "Frequenzbereich" bringen. (Das ist der Bereich, in dem die bekannten Diagramme von Frequenz- Phasenverläufen und Klirrspektren dargestellt werden.) Beim Tieftonkanal der FM5 sieht dann die übliche Darstellung von Schalldruckverlauf (obere Kurve und Klirren (untere Kurven, k2 und k3 getrennt) so aus:  (Unüblich sind jedoch der Pegelverlauf ab 10 Hz sowie Klirrabstände um 50 dB (entsprechend 0,3%). Bei unseren Sensoren mit Linearität unter 0,1% und Verstärkung 100 im Regelkreis ist das aber genau so zu erwarten. Wenn wir die sensorgeregelten Tieftöner einer FM3 mit 30 Hz, 80 Hz und 110 Hz gleichzeitig ansteuern und das Messmikrofon auf einen Spektrumanalysator geben, dann sehen wir diese drei Frequenzen und sonst nichts:  Wenn wir jetzt die Sensoren abschalten, dann läuft die FM3 wie eine ganz normale Aktivbox ohne Regelung und wir sehen auf einmal den ganzen "Wald" von artefakten Nebentönen. "What you see is what you hear" und es wundert nicht, dass das nach "Lautsprecher" klingt.  Solche Oberwellen im Prozentbereich mögen manche Hörer für akzeptabel halten, sie verändern ja "nur" die Klangfarben der Instrumente und vielleicht klingt das Cello dann viel schöner, als das, was der Instrumentenbauer wollte. Das Problem ist nur, dass das Oberwellenspektrum ganz extrem vom momentanen Pegel der Musik abhängt und dass sich die Klangfarben der Instrumente während des Spielens (also ständig) ändern, ist keine schöne Vorstellung. Auch nicht, dass sich die Farben der Geigen ändern, wenn eine Orgel einsetzt. |
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Einfach besser. Regelung linearisiert den Antrieb und verbessert dramatisch Klirren und Intermodulation. Sie ist aber viel größer: Sie fragt nämlich nicht nach einzelnen Fehlern, sondern misst einfach alles und korrigiert, was falsch ist. Das kann sehr viel sein, wenn man etwas genauer hinschaut. Zum Beispiel magnetische Verzerrungen (da ist viel Eisen in der Spule), Wirbelströme (gibt es da nicht Leute, die nichtleitende Spulenträger bevorzugen?), der "Knackfroscheffekt" in der Zentrierung. Oder die "HiFi-Variante" von Thermo-Dynamik: Der Strom hängt von der Temperatur der Schwingspule ab und kann so um rund 20% variieren. Die Pegel von Tief- Mitten- und Hochtönern schwanken also ständig und in unterschiedlichem Takt. Das sind jeweils für sich genommen meist kleinere Effekte, die gerne unter "hört man nicht" abgelegt werden, obwohl sie eigentlich in die Schublade "kann man ungeregelt nichts machen" gehörten. Die hörbare Souveränität unserer Technologie kommt auch daher, dass wir breitbandig das gesamte Fehlerspektrum erfassen, statt kleinkariert einzelne Effekte zu kompensieren oder zu filtern. "Negative Rückkopplung" (Regelung) ist so umfassend, dass sie in der ganzen Welt die Ordnung vom Chaos trennt, Planeten auf ihren Bahnen hält, Maschinen funktionieren lässt und HiFi schöner macht. |
