Was zeigen Sprungantwort, Gruppenlaufzeit und Phasengang?

Die Sprungantwort ist kein typischer Parameter speziell für einen Lautsprecher. Sie ist ein Signal aus der Regelungstechnik und dient bei beliebigen technischen Systemen zur Beschreibung des Verhaltens zwischen Ein- und Ausgang. Es ist innerhalb der Fachwelt Konsens, dass die Sprungantwort das Übertragungsverhalten eines Lautsprechers repräsentiert. Ob auf Achse, unter Winkel, von hinten oder von vorne oder invertiert gemessen, beschreibt sie das Übertragungsverhalten von Lautsprechern so vollständig wie kein anderes Testsignal. Sie sagt damit direkt aus, wie er klingt. Dennoch ist gerade mal ein Bruchteil der Lautsprecher in der Lage, Eingangssignale in äquivalente Ausgangssignale (Schallwellen) zu wandeln. Jede kleinste Abweichung vom Idealverlauf ist ein Fehler, eine Nichtlinearität. Man sollte sie ernst nehmen und zu deuten wissen. Für die anderen Parameter gilt hingegen: Der Frequenzgang auf Achse allein sagt uns nicht, wie ein Lautsprecher wandelt. Der Frequenzgang unter Winkel allein sagt uns nicht, wie ein Lautsprecher wandelt. Die Gruppenlaufzeit allein sagt uns nicht, wie ein Lautsprecher wandelt. Die linearen und nichtlinearen Verzerrungen allein sagen uns nicht, wie ein Lautsprecher wandelt. Das Wandlerverhalten eines Lautsprechers aus Frequenz- und Phasengang zu interpretieren ist wesentlich weniger aussagefähig. Das liegt schon in den Annahmen und Ausschlüssen begründet, die diesen Messmodellen zugrunde liegen. Es ist leicht mit jeder beliebigen Signalform / Klangstruktur nachzuweisen, dass ein Lautsprecher mit deformierter Sprungantwort auch andere Signale verzerrt und dass ein Lautsprecher mit einer Sprungantwort ganz nahe dem Idealverlauf auch jedes andere Signal sehr genau wandelt. Unser Trommelfell nimmt durch diese Abweichungen im Druck-Zeit-Verlauf ein dementsprechendes Klangbild wahr. Beim Lautsprecher handelt es sich um einen elektroakustischen Wandler. Die elementare Aufgabe eines elektroakustischen Wandlers besteht darin, eine ihm zugeführte Signalstruktur in eine äquivalente Schallstruktur zu wandeln. Das schließt Frequenzganglinearität, Verzerrungsarmut, Dynamik, Phasengang, Impulswiedergabe, Ein- und Ausschwingverhalten, Abstrahlverhalten usw. mit ein. Jeder Fachmann weiß, dass ein Lautsprecher, der richtig wandelt, zwangsläufig eine korrekte Sprungantwort kann, dass er demzufolge auch jedes beliebige Input-Signal in ein gleiches Output-Signal wandeln kann, egal, ob ein Sinus oder eine andere Signalform. Und wenn der Lautsprecher dies kann, und nur dann, so kann er ein Musiksignal richtig wandeln. Kein Lautsprecher, der eine verzerrte Sprungantwort abliefert, ist in der Lage Input = Output zu erfüllen, das heißt Musiksignale unverzerrt, korrekt wiederzugeben. Die Sprungantwort hat ihren gleichmäßigen Verlauf NUR dann, wenn: der Frequenzgang auf Achse linear ist, dessen Grenzbereiche auch sehr gut zu erkennen sind. Entsprechendes gilt unter Winkel. die Gruppenlaufzeit linear ist, oder auch der Phasengang. die linearen und nichtlinearen Verzerrungen minimal sind.

Myro Kleine Elfe

In den genannten Fällen gilt der Umkehrschluss nicht! Ein linearer Frequenzgang weist nicht auf eine richtige Sprungantwort hin. Ein gleichmäßiger Phasengang ebenfalls nicht. Damit ist "richtig wandeln" nicht gewährleistet! Phase und Amplitude stehen in einer Wechselwirkung, jedoch lässt sich der Amplitudengang auch bei gleichzeitiger Verschlechterung des Phasengangs verbessern. (Dafür gibt es viele Beispiele von Lautsprechern mit Filtern 2. oder 3. Ordnung etc.) Und zwar dann, wenn das Messsignal den Lautsprecher in einen eingeschwungenen Zustand versetzt und die Auswertungen deshalb nur Aussagen darüber zulassen. Für die Sprungantwort ist aber die Phase im Einschwingen, in der Impulsdynamik, von Bedeutung!

Fehler bei der Entwicklung von elektroakustischen Wandlern treten meistens dann auf, wenn das komplexe Ergebnis der Sprungantwort in die genannten Differenzierungen überführt wird und der Entwickler auf dieser differenzierten Modellebene weiter entwickelt und sein Entwicklungsobjekt optimiert.
Um die Sprungantwort zu verbessen, müssen Phasen- und Amplitudengang zusammen verbessert werden. Den Amplitudengang zu verbessern ohne den Phasengang, genau genommen die Zeitbeziehungen im Einschwingen zu verbessern, führt zu keiner Verbesserung der Sprungantwort. Die richtige Polarität zu missachten, aus welchen Gründen auch immer, führt definitiv zu einer falschen Sprungantwort, zur falschen Reproduktion von Einschwingvorgängen.
Als Entwickler hört man die Schallantworten des Lautsprechers beim Messvorgang und hat somit einen direkten Klangeindruck von dem, was man auf dem Bildschirm sehen kann. Wenn man diese Hörerfahrung nicht hat, braucht es etwas Fantasie, um sich ein Geräusch vorstellen zu können, das aus diesen Schallwellen gebildet wird. Der Lautsprecher liefert bei jeder Anregung mit einem Signal ein im Grundmuster ähnliches Geräusch. Das würde hören können, wer beim Messvorgang dabei wäre. Diese Einschwinggeräusche in ihrer dem Lautsprecher typischen Charakteristik erzeugt der Lautsprecher unabhängig davon, ob wir Klassik, Pop, Rock oder Jazz darüber hören oder ob wir die Soundtracks von Filmen hören oder die Dialoge verstehen wollen. Es ist auch für den Laien leicht vorstellbar, dass die richtige Wiedergabe von Schwingungen zu weniger, aber eindeutigen und in ihren Tonhöhen richtigen Schwingungen führt. Das Klangbild klingt mit einem richtig wandelnden Lautsprecher klarer, dynamischer, weniger mit künstlichen Schwingungen gefüllt und besser verständlich. Es ist ein klarer Raum zwischen den Tönen und Geräuschen, weniger Füllstoff, weniger Verzerrungen. Der ungeübte Hörer würde meinen, es klänge dünner. Das tut es aber vom Energiegehalt her nicht, sondern nur bezogen auf das Nichts zwischen den Tönen! Der Vergleich einer verschmierten, staubigen Scheibe mit einer frisch geputzten Scheibe bietet sich hier förmlich an.

Es gibt Nichtlinearitäten im Übertragungsverhalten von Lautsprechern, die grundsätzlich aus der begrenzten Übertragungsbandbreite resultieren. Diese Grenzen sind bei Lautsprechern mit weitgehend korrekter Sprungantwort auch klar zu sehen.

Grundsätzlich gilt:

• Der Hochtöner bestimmt die maximale Anstiegsgeschindigkeit eines Impulses.
• Das synchrone Einschwingen des Hochtöners mit dem Mittel- und Tieftöner bewirkt die volle Impuls-Dynamik. Eine Bassdrum beispielsweise klingt dann schnell und knackig, wenn alle Lautsprecherchassis synchron, in Phase, einschwingen.

Die Sprungantwort startet mit der Anstiegszeit des Hochtöners. Der Hochtöner hat aber seine Grenze in der Anstiegszeit und die Energie, welche eigentlich am Anfang erzeugt werden müsste, wird zumeist leicht verzögert in Schall gewandelt. Dann entsteht eine überhöhte Spitze. Die tieffrequente Begrenzung des Übertragungsverhaltens macht sich in einem mehr oder weniger starken Abfallen der Kurve bemerkbar. Fällt die Kurve ab der Spitze steil ab, so kann der Tieftöner die erste Halbwelle im Bassbereich nur schwach ausbilden. Verläuft der Graph flacher, dann gelingt dies besser. Ein Lautsprecher sollte natürlich auch unter verschiedenen Hörwinkeln eine ordentliche Sprungantwort aufzeigen. Das zu schaffen ist jedoch die hohe Kunst. Eine korrekte Sprungantwort auf Hörachse ist allerdings die unbedingte Voraussetzung für die richtige Wandlung der Schwingungen, der Musik.

Tief-, Mittel- und Hochtöner haben bezüglich des zeitlichen Ursprungs keine relevante immanente Latenz. Und wenn sie doch vorhanden ist, dann müssen die Startpunkte trotzdem zeitlich deckungsgleich sein. Die Maxima von Hüllkurven sind zur Beurteilung des Zeitverhaltens bezüglich der Impulse ungeeignet. Deshalb sagen Gruppenlaufzeiten auch nur etwas über den eingeschwungenen Zustand aus. Auch verzerrte (in sich verformte) Wellengruppen können das Maximum der Einhüllenden an der gleichen Stelle haben (z.B. wenn sich eine innerhalb des Chassis oder seiner Umgebung ausbreitende Welle zu kurzzeitig als Reflexion zurück kommt und die Wellengruppe verzerrt, u.v.m. typische Nichtlinearitäten).
Die Einschwingvorgänge (besonders die Impulse) können in einer Wellengruppe verzerrt sein und sind es bei "nicht-zeitrichtigen Lautsprechern" auch! Wir haben es dann mit Energieverschiebungen, z.B. von der ersten Halbwelle auf die zweite und folgende, zu tun, die nicht zwingend das Maximum betreffen müssen, da es noch andere Ereignisse gibt, siehe Reflexionen, die das Maximum bewirken.

Der Phasengang

Die Darstellung des Frequenzgangs erfolgt gelegentlich auch als komplexer Frequenzgang, mit dem der Phasengang abgebildet wird. Auch dieser Phasengang eines Lautsprechers beschreibt die Zeitbeziehungen im eingeschwungenen Zustand, nicht aber das Impulsverhalten. Die Zeitbeziehungen im Einschwingvorgang unterscheiden sich erheblich von den Zeitbeziehungen im eingeschwungenen Zustand. Selbst Lautsprecher mit invertierten Chassis können einen gleichmäßigen (eingeschwungenen) Phasengang aufweisen. Die Impulswiedergabe ist dabei trotzdem fehlerhaft.
Phasenbetrachtungen setzen voraus, dass innerhalb des Messmodells Bezugspunkte definiert sind, die unter dem Aspekt zeitlicher Verschiebungen in Relation zueinander gesetzt werden. Die Auswertung bezieht sich dabei entweder auf einen eingeschwungenen Zustand oder auf einen quasi-statischen Zustand. Das erklärt auch, weshalb aus dem Phasengang keine Rückschlüsse auf das Ausgangssignal gezogen werden können. Insbesondere die ersten Halbwellen des Einschwingvorgangs, die in höchstem Maße die Ortung und die Identifikation eines Schallereignisses bestimmen, werden durch Phasenmessungen nicht dargestellt. Der Phasengang bezogen auf die ersten Halbwellen sähe ganz anders aus als der Phasengang bezogen auf nachfolgende Halbwellen. Es kann also keinen Phasengang geben, der allgemeingültig aussagefähig ist.

Beispiel:
Die Klangcharakteristik von Instrumenten wird neben deren Einschwingvorgängen vor allem durch ein charakteristisches Spektrum von Grundtönen und deren Vielfachen (Obertönen) bestimmt. Liegt der Grundton beispielsweise bei 440 Hz und die Obertöne bei 880, 1.760, 3520, 7.040 Hz usw., so ergibt sich eine Schalldruckstruktur aus der Überlagerung dieser Wellen. Bei Verpolung des Hochtöners überlagert sich dieses Gemisch aus Grundton und Obertönen ganz anders und führt zu einer lautsprechertypischen, künstlichen Schallstruktur. Die Überlagerung einer richtig gepolten 440 Hz-Schwingung mit einer invertierten 7.040 Hz-Schwingung ergibt definitiv eine deutlich vom Original abweichende Summe. Im Phasengang sind all diese Phänomene aber unsichtbar!
Der Modebegriff "Zeitrichtige Lautsprecher", der sich in der Regel auf einen halbwegs linearen Phasengang bezieht, sagt im Grunde gar nichts aus.

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