<< zurück

Geht es auch ohne "Regelung"?

Ja, manches kann man auch ohne Regelung, also durch "Steuerung" wie Filtern oder Kompensieren verbessern. Zum Beispiel den ganzen Bereich der "linearen Fehler". "Lineare Eigenschaften" sind Frequenz- und Phasenverläufe, technisch weniger korrekt oft als "Tonalität" und "Zeitverhalten" bezeichnet. Auch für Effekte wie "beamstearing" oder "Raumanpassung" braucht man keine Regelung. Steuerung wird in praktisch allen Lautsprechern eingesetzt und auch wir nutzen sie unterhalb der Ebene von Regelung.
Wazu braucht man Regelung?

Die besondere Stärke sensorgeführter Regelung ist, dass sie nicht Teilaspekte kompensiert, sondern auf die unterschiedlichsten Fehler wirkt.
Regelung wirkt also umfassend auf die Ursachen statt auf einzelne Symptome und kann eine ganze Klasse von Fehlern korrigieren, die für Filterung oder Kompensation nicht zugänglich sind.

Sie kann auch Fehler korrigieren, die sehr komplexe Ursachen haben, zu denen keine inverse Übertragungsfunktion existiert oder diese sich im Betrieb ständig ändert. (Und das sind viele.) Für den Sensor spielt es nämlich keine Rolle, wie ein Fehler entstanden ist; er erkennt einfach, ob eine Abweichung vorliegt und lässt diese im Regelkreis korrigieren.

Von magnetischen Verzerrungen bis zu thermischer Dynamikkompression gibt es ganz unterschiedliche Fehler, die wir mit Regelung korrigieren. Ein besonders anschauliches Beispiel ist die Regelung der nichtlinearen Antriebskraft. Bereits an diesem einfachen Fall erkennt man, dass es hier nicht um "kaum hörbare Feinheiten", sondern um die Korrektur massiver Imperfektionen geht:
Auch Lautsprecher haben einen Motor.

Bei dem üblichen "elektrodynamischen Lautsprecher" ist der "Motor" eine Spule aus Kupfer- oder Aluminiumdraht, die sich in einem Magneten bewegt und so die Membran antreibt:

dynLS

Dieses Prinzip ist seit 100 Jahren bewährt, hat aber ein grundsätzliches Problem: Die Kraft ist in der Mitte des Magneten besonders groß und wird schwächer, je weiter sich die Spule aus dem Magnetfeld bewegt:
magnetpos
Auswirkung der Nichtlinearität an einem praktischen Beispiel.

Die Auslenkung einer Lautsprechermembran ("Hub") kann man z.B. mit einem Laser-Abstandssensor 
ganz einfach messen. (linkes Bild)

Wenn man bei einem ungeregelten Lautsprecher die Spule mit einem Sinussignal ansteuert, dann sieht man (Bild rechts), dass zwar der elektrische Strom eine saubere Sinuskurve ist, die Bewegungskurve (also der Schall) aber verformt wird. Sie ist durch die nachlassende Kraft erwartungsgemäß oben und unten "abgeflacht".
s_messungauslenkung

Durch die Geometrie von Spule und Magnet oder mit der elastischen Aufhängung der Membran kann man die Kurve zwar verändern, jedoch sind diese mechanischen Möglichkeiten begrenzt und waren in dem gezeigten Beispiel schon genutzt. (Gemessen wurde ein bekannter Langhub-Tieftöner moderner Bauart.)
Wie klingt "Nichtlinearität"?

Beschrieben wird der so erzeugte Klang oft als "schön warm", "kräftig im Bass" oder gar "besser als das Original". Durch die Verformung der Kurve werden dem Frequenzspektrum nämlich Obertöne hinzugefügt, die (wie die natürlichen Obertöne von Instrumenten) bei musikalisch "harmonischen" Frequenzen liegen. (Im Englichen heißt diese Fehlerklasse deshalb "harmonic distortions", als "THD" oft in Prozenten angegeben.) Obwohl dieser "klangliche Zuckerzusatz" die natürlichen Klangfarben verändert und klangliche Details verwischt, kann er als "Geschmacksverstärker" eingesetzt werden und ist im Verkauf möglicherweise kein Nachteil.
Intermodulation, die "hässliche Schwester" der "Harmonischen"

Untrennbar verbunden mit den harmonischen Fehlern ist aber die äußerst unharmonische "Intermodulation". Sie erscheint immer dann, wenn ein Lautsprecher nicht nur einen einzigen Ton, sondern mehrere Töne gleichzeitig wiedergeben soll, bei Musik also ständig.

In dem Beispiel wurde ein tiefer Ton (der lange Wellenzug) mit einem höheren Ton überlagert und in die Spule des Tieftöners eingespeist. (Kurve "Strom")

Die untere Kurve ("Membranbewegung") ist die resultierende Auslenkung, wieder mit dem Abstandssensor wie oben gemessen. 
IMMan sieht, dass der höhere Ton von dem tieferen verändert ("moduliert") wird.

Auch für diese Intermodulation ist der Grund ganz einfach: Wenn ein tiefer Ton die Membran aus der Ruhelage bewegt, dann wird die Antriebskraft schwächer, der überlagerte hohe Ton dort also leiser. 
Wie klingt Intermodulation?

Eigentlich so, wie man es nach der technischen Erklärung erwartet: Verschiedene Klänge stehen nicht transparent und frei nebeneinander, sondern sind voneinander abhängig und klingen "irgendwie vermischt". Intermodulation könnte man das "Bindemittel der lautsprechertypischen Klangsoße" nennen. Es entsteht eine Unschärfe, durch die klangliche Details nicht mehr klar voneinander getrennt werden. Diese technisch bedingte Intermodulation klingt ganz ähnlich der physikalisch durch den Dopplereffekt bedingten. Obwohl beide Ursachen unabhängig voneinander sind, kann das Ergebnis nur als Summe und nicht als getrennte Fehler wahrgenommen werden.

Auch Intermodulation fügt dem Spektrum des Musiksignals artefakte Obertöne hinzu. Diese sind zwar leiser als die oben beschriebenen "harmonischen", klingen dafür aber sehr unangenehm, weil sie außerhalb der harmonischen Ordnung liegen.
Wirkung der Regelung.

Die Regelung funktioniert ganz einfach: Dort, wo die Antriebskraft der Spule schwächer wird, liefert der Verstärker mehr Strom. Dafür muss ein Sensor allerdings die tatsächliche Position der Spule kennen und den Rest übernimmt unser Know How zu Sensoren und Regelungstechnik. Die Abtastung der Membranbewegung (wie oben) zeigt dann folgendes Bild:
Abstandssensor_kleinHub_geregelt_klein
Mit Regelung entspricht jetzt die Bewegung der Membran (also das hörbare Ergebnis) dem Eingangssignal und der Strom gleicht die Nichtlinearität des Antriebs aus.

Diese Verbesserung ist kein "Trick", sondern nur die Anwendung des Regelungsprinzips. Der Strom, dessen Verlauf erkennbar von einer Sinuskurve abweicht, ist also nicht etwa "falsch", sondern genau so, wie es für die korrekte Bewegung richtig ist.

Physikalisch betrachtet werden in der Schwingungsgleichung, die auch Lautsprecher beschreibt, die Werte für die auslenkungsabhängige Kraft ("Rückstellkraft"), die geschwindigkeitsabhängige Kraft ("Dämpfung") und die beschleunigungsabhängige Kraft (Masse) verändert. Es werden also nicht "Fehler nachträglich korrigiert", sondern die Eigenschaften des Systems grundsätzlich geändert. Bei uns wird z.B. die geschwindigkeitsabhängige Kraft so weit über den aperiodischen Grenzfall hinaus erhöht, dass Grundresonanzen nicht etwa "verringert" werden, sondern nicht mehr existieren.
Anmerkung für technisch Interessierte:

Die Strom / Auslenkungs-Kennlinie des ungeregelten Lautsprechers aus dem obigen Beispiel zeigt, dass hier keine eindeutige Übertragungsfunktion vorliegt, sie also nicht durch analoge oder digitale Steuerung zu korrigieren ist und eine Regelung erfordert:
wavecor1_B400
Die Kennlinie ist im Bereich von -1mm bis +2mm etwa linear, zeigt aber schon bei dieser quasistatischen Aufnahme (gemessen wurde bei 0,5Hz) eine deutliche Hysterese durch Verformung von Gummisicke und Zentrierung mit nichtelastischen Anteilen.
Thermische Effekte waren hier durch Stromsteuerung bereits ausgeschlossen.
Die Hysterese ändert (verschlechtert) sich bei höheren Frequenzen erheblich.
Bei Frequenzen ab etwa 30Hz wird das Bild unübersichtlich, da dann noch Phasenverschiebung, Verzerrungen durch Strömung im Luftspalt und Wirbelstrom im Spulenträger hinzukommen.
Diese Betrachtung einzelner Effekte ist für uns aber nur von akademischem Interesse, da unsere Systeme mit Kreisverstärkungen >40dB im Tieftonbereich arbeiten, wodurch diese Fragen irrelevant werden.

Kleiner Trost für Anhänger ungeregelter Lautsprecher: Wenn man Sicke und Zentrierung mit viel Auslenkung einige Minuten "durchwalkt", dann verringert sich die Hysterese tatsächlich erkennbar. Vermutlich kommt es so zu der Beobachtung, dass solche Boxen nach einer "Einspielzeit" besser klingen.

Übrigens:

"Regelung" ist kein technisches Detail, sondern als "negative Rückkopplung" ein Prinzip, das in der gesamten Natur die Ordnung vom Chaos trennt.

Sogar soziale, wirtschaftliche oder Öko-Systeme sind keine lineare Abfolge einzelner Ursachen und Wirkungen, sondern vielfach verbundene Regelkreise. Man kann in der Lautsprecherregelung also auch die Grundzüge der Kybernetik erkennen und auch Bildung war schon immer das Verständnis von Zusammenhängen, nicht die in HiFi-Zirkeln verbreitete Rabulistik.

Die Frage, ob man Regelung braucht, ist strenggenommen obsolet: Sie ist omnipräsent und wenn ein Lautsprecher keine Sensoren hat, dann regelt er sein Verhalten eben nach anderen (deutlich schlechteren) Werten.)
<< zurück Impressum Datenschutz