Wozu braucht man zeitrichtige Lautsprecher?

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Historische Entwicklung des Hörens[Bearbeiten]

Im Laufe von Jahrmillionen der Evolution hat sich das Gehör von Lebewesen auf zwei Aspekte hin optimiert: Beute orten und Gefahr erkennen. In beiden Fällen spielt der impulsartige Charakter von akustischen Signalen, d.h. die Transienten, die entscheidende Rolle. Jedes natürliche Schallereignis beginnt mit einem Geräusch, mit einer Transiente. Diese Transienten beinhalten ein breites Spektrum an Tonhöhen.

Entsprechend wertet das Gehör als erstes jene Signalanteile zur Bewertung und groben Ortung von Signalen aus, die allgemein als „erste Wellenfront“ bezeichnet werden. Für das Lautstärkeempfinden sind die Transienten (Einschwingvorgänge) von besonderer Bedeutung. Die Nervensignalrate des Hörsinns (Nervenimpulse vom Gehör zum Gehirn) ist innerhalb der ersten Sekunden-Bruchteile eines Schallereignisses (dem Einschwingen) etwa 30-fach höher als bei den folgenden ausschwingenden Klängen. Dies ist die Folge der evolutionären Entwicklung des Gehörs mit der überlebenswichtigen Anforderung, mit extrem hoher Aufmerksamkeit auf abrupte Veränderungen zu reagieren, was eindeutig belegt, wo der Hörsinn seine höchste Empfindlichkeit hat. Erstaunlich ist, dass diese Signale innerhalb von nur ca. 10 Mikrosekunden ausgewertet werden. Diese Zeit umgerechnet in eine Frequenz (mit der Formel f = 1/t) ergibt eine Frequenz von 100.000 Herz!

Der knackende Zweig[Bearbeiten]

Ein Zitat der Firma Manger (Hersteller des Mangerwandlers):
"Im 10- bis 100-Mikrosekundenbereich werden die Schallwerte dem Gehirn direkt ohne Wandlerwellen-Laufzeit zur Richtungs- und Charakterbestimmung signalisiert. Trotz des stattfindenden Erkennens des Schalls entsteht noch kein tonales Klang-Hören. Die schnellstmögliche Schallerkennung hat stattgefunden. (Alarmmeldung)."
Für die herausragenden Transienten gibt es die maximal erhöhte Aufmerksamkeit des Gehörs nebst dessen Fähigkeit, diese Transienten dem Gehirn noch vor der Frequenzanalyse zu signalisieren. Und das geschieht schon, bevor die "Wanderwelle" die Basilarmembran durchläuft und unabhängig davon! Als anschauliches Beispiel dient dazu das Knacken eines Zweiges - eine natürliche Transiente. Oder auch das Händeklatschen oder das feine Klicken einer kleinen Glasperle, die auf einem Steinfußboden aufprallt. Diese Schallereignisse bestehen aus einer extrem kurzzeitigen Impulsstruktur. Berechnet man das äquivalente Frequenzgemisch, aus dem sich diese Schallereignisse zusammensetzen, so liegen die tiefsten darin enthaltenen Frequenzen oftmals oberhalb dessen, was wir bei Hörtests mit Dauertönen überhaupt hören können. Und dennoch hören wir diese Schallereignisse, können sie auch noch voneinander unterscheiden und im frontalen Bereich bis auf ein Grad richtungsgenau und in der Entfernung orten.
Impulsstrukturen mit Frequenzanteilen bis hinab in den Mitteltonbereich sind im akustischen Sinne unser täglich Brot. Sie bilden für das menschliche Hörorgan den für das Erkennen und Orten wesentlichen Schallanteil. Sie beinhalten bei natürlichen Schallereignissen die höchsten Amplituden. Hier ist die Empfindlichkeit des Gehörs am weitesten ausgeprägt. Das hat sich evolutionär so herausgebildet, es macht für uns den größten Sinn. Die Erkennung und Ortungsfähigkeit lässt in Richtung Bassbereich zunehmend nach und verschwindet im Tiefbassbereich nahezu. Brechen wir hingegen mehrere ca. 1 cm dicke, kurze, trockene Zweige, so klingt jedes Knacken anders und die Ortung funktioniert einwandfrei. Ein solches Geräusch, bei den darin fehlenden tieffrequenten Anteilen, löst die zur Frequenzanalyse in der Basilarmembran erforderliche Wanderwelle gar nicht aus. Wir hören, orten und charakterisieren einen knackenden Zweig ohne Frequenzanalyse, allein durch das Erkennen von Transienten! Will man Rückschlüsse auf die Hörbarkeit von etwas ziehen, so kommt man um die Schallstrukturanalyse nicht herum. Wir können den "Klangunterschied" verschiedener knackender Zweige hören, wir hören dementsprechend den "Klangunterschied" verschiedener Transienten.

Die mit Abstand größten Probleme, einer Signalstruktur zu folgen, hat nicht die Elektronik einer Wiedergabekette, sondern die elektroakustischen Wandler (im Volksmund Lautsprecher genannt). Das ständig erneute Einschwingen auf die nächstfolgende Signalform ist für Lautsprecher fast ausnahmslos unmöglich. In weiten Bereichen der Übertragungsbandbreite können nicht einmal einfachste Signalformen reproduziert werden. Das asynchrone Einschwingen von Lautsprecherchassis innerhalb eines Lautsprechers führt zu starken, teilweise sogar einhundertprozentigen Verzerrungen von Impulsen. Jedes derartige Lautsprechermodell erzeugt eine ihm eigene künstliche Impulsstruktur. Der Klang der Impulswiedergabe der verschiedenen Lautsprechermodelle unterscheidet sich in etwa so wie der Klang der verschiedenen oben genannten Zweige. Es wird im gewissen Sinne sogar so etwas wie eine Gleichheit erzeugt, da die Reaktion auf unterschiedliche Impulse, wie z.B. die knackenden Zweige, zu weitgehend ähnlichen, künstlich durch Asynchronität hervorgerufenen Druck-Zeit-Strukturen führt. Dabei geht der ursprüngliche Klangcharakter der Schallereignisse verloren.
Die folgenden Artikel (rechts) aus Biologie in unserer Zeit, 1996, beschreiben weitere Hintergründe über die Funktion des Gehörs.

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Myro Musikus 2006






Links[Bearbeiten]

Impulse in der Musik[Bearbeiten]

"Um zur Quelle zu gelangen, muß man gegen den Strom schwim­men."
chinesisches Sprichwort

Eingeschwungene Zustände wiederzugeben ist das, was heutige "sowieso schon gute Lautsprecher" einigermaßen gut beherrschen. Das ist aber nur ein Teil des Musikgeschehens. Wir hören jedoch Sprache, Geräusche und Musik. Deren Schallstruktur ist gekennzeichnet durch ständig wechselnde dynamische Schalldruckereignisse. Auch hier gilt: Nichts ist stetiger als die Veränderung! Musik und andere Schallereignisse sind geprägt durch sprunghafte Wechsel, Einschwingvorgänge, Transienten. Musikinstrumente wie beispielsweise Schlagzeuge, Glockenspiele, gezupfte Saiteninstrumente oder Klavier und Flügel erzeugen zahlreiche impulsartige Signale, und selbst weich gespielte Instrumente, wie beispielsweise Geigen, können beim Anspielen des ersten Tons ebenfalls zuerst ein impulsartiges Signal erzeugen. Die Signalformen der Schalldruckereignisse variieren schnell und derart stark, dass Wiederholungen praktisch nicht vorkommen. Eine technisch bedingte Gegenphasigkeit von Obertönen zu Grundtönen oder von Obertönen zu anderen Obertönen erzeugt immer eine veränderte Schall-(Klang)struktur. Für die Form der Schallkurven ist es wesentlich, ob sich Obertöne addieren oder subtrahieren. Es entsteht dabei eine andere Wellenstruktur. Und wir hören diese Charakteristik von Wellenstrukturen. Bei Obertönen am oberen Spektrum dürfte das weniger relevant werden, da dort die Auflösung durch unser Hörorgan nachlässt. Die Komponenten einer Schallreproduktionsanlage müssen daher die Fähigkeit besitzen, diese sich ständig ändernden Signalformen zu übertragen, in elektrischer und akustischer Form. Eingeschwungene, quasi-statische Zustände kommen praktisch nicht vor.

Floor monitor.jpg
Myro Floor Monitor

Wenn der Lautsprecher die ersten Halbwellen nicht rekonstruieren kann, dann verfehlt man die lautesten Stellen in der Musik. Eingeschwungene Töne gibt es bei natürlicher Musik nahezu ausnahmslos im Ausklingen von Tönen. Diese sind im Verhältnis zum Einschwingen leise und für das Erkennen und räumliche Ortung kaum von Bedeutung. Musik ist auch Rhythmus, lebt von der Impulsdynamik. In der Musik, genauso bei natürlichen Umgebungsgeräuschen, z.B. in einem Film, erkennen und orten wir Schallquellen und Reflexionen, erhalten Information über Räume und Distanzen durch die zeitliche Kohärenz der Ereignisse. Das ist akustische Dreidimensionalität. Perfektes Übertragungsverhalten des Lautsprechers von Impulsen im Zeitbereich trägt demnach entscheidend zu einer authentischen Wiedergabe von Musik bei.
Die meisten Lautsprecher jedoch erzeugen beim Einschwingen Verzerrungen in Größenordnungen, die wir bei anderen Geräten nicht tolerieren würden. Bei einem Digital-Analog-Wandler verlangen wir zum Beispiel die Bit-genaue Wandlung der Musikdaten. Die meisten Lautsprecher hingegen verzerren Einschwingvorgänge in einer Größenordnung, die einem digitalen Daten-Blackout gleicht. Bereits die erste hundertstel Sekunde des Einschwingvorgangs beinhaltet beim CD-Format 7056 Nullen und Einsen, bei 24 Bit / 192 kHz sind es sogar 46080 Bits, welche sie beim Einschwingen sozusagen beliebig durcheinander würfeln, als würde man aus dem Wort KARPFEN einen KRAPFEN machen. Diese Lautsprecher erzeugen damit künstliche und falsche Schallwellen, welche nicht der Musikaufnahme entsprechen. Im Gegensatz zu den Einflüssen digitaler Formate auf die Signalstruktur erzeugen Lautsprecher eine im Grundaufbau andere, lautsprechertypisch eigene Struktur. Dem Lautsprecher wird auch am ehesten zugestanden, dass er einen Eigenklang hat. Daraus ergibt sich jedoch nicht, dass es egal ist, ob ein Lautsprecher richtig wandelt oder nicht. Ebenso wie ein D/A-Wandler ist ein Lautsprecher auch ein Wandler, ein elektroakustischer Wandler, mit dem gleichen Anspruch an die Erfüllung seiner Aufgabe.

Maximales Auflösungsvermögen wird im Wesentlichen durch fünf Konstruktionsmerkmale erreicht:

  1. Akkurate Übertragungsstrecke mit schnellen Endstufen mit lastangepasster oder lastunabhängiger Dämpfung.
  2. Verwindungssteife Lautsprechermembranen (Beryllium, Diamant, Keramik, Titan/Alu/Magnesium, Hexacone, HDA) mit eindeutigem korrigierbarem Resonanzverhalten, unter Winkeln möglichst gleichbleibend
  3. Zeitrichtiges Einschwingen mit korrekter Summenbildung, linearphasig in den Übernahmebereichen, weiter Übertragungsbereich mit minimalen Phasendrehungen an den Übertragungsenden; Dämpfung aller Resonanzen für ein schnelles gleichmäßiges Ausschwingen
  4. Homogene Abstrahlung (nur eine Hauptabstrahlkeule und 3. erfüllend)
  5. Mechanische Stabilität / Dämpfung aller zum Schwingen angeregter Bauteile (Gehäuse, Frequenzweiche, Kabel, Verstärker usw.)


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