Wozu braucht man zeitrichtige Lautsprecher?: Unterschied zwischen den Versionen

(Die Natur der Klänge)
(Impulse in der Musik)
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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.<br />
 
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.<br />
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. Sie 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.
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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. Sie 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.<br />
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Maximales Auflösungsvermögen wird im Wesentlichen durch fünf Konstruktionsmerkmale erreicht:<br />
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# Akkurate Übertragungsstrecke mit schnellen Endstufen mit lastangepasster oder lastunabhängiger Dämpfung.<br /
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# Verwindungssteife Lautsprechermembranen (Beryllium, Diamant, Keramik, Titan/Alu/Magnesium, Hexacone, HDA) mit eindeutigem korrigierbarem Resonanzverhalten, unter Winkeln möglichst gleichbleibend 
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# 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
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# Homogene Abstrahlung (nur eine Hauptabstrahlkeule und 3. erfüllend)<br />
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# Mechanische Stabilität / Dämpfung aller zum Schwingen angeregter Bauteile (Gehäuse, Frequenzweiche, Kabel, Verstärker usw.)
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Version vom 14. August 2016, 00:35 Uhr

Historische Entwicklung des Hörens

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. 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

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.

P 0101.jpg

Myro Musikus






Impulse in der Musik

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. Sie 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.<br /
  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.)


Das folgende Zitat ist dem Buch "Hifi hören", Vogel Verlag, 1979, von Heinz Josef Nisius entnommen:

"Meß- und Hörvergleiche zeigen, dass das Impulsverhalten von Lautsprechern im Hinblick auf höchstmögliche Klangqualität gegebenenfalls wichtiger ist als ein auf ± 2 dB linearisierter Amplitudenfrequenzgang, gleichwohl dieser nicht unwichtig und auch eine Voraussetzung für gutes Impulsverhalten ist. Überspitzt formuliert kann man sagen, dass Impulstreue mit das wichtigste, zumindest das am schwersten zu erfüllende Qualitätskriterium eines Lautsprechers ist. Gleiches gilt auch für Tonabnehmer und Verstärker; beim Verstärker ist es allgemein anerkannt, beim Lautsprecher jedoch nicht.

Dass das Impulsverhalten, also das Ein- und Ausschwingverhalten von Lautsprechern, von ausschlaggebender Bedeutung für seine Klangqualität ist, wird erkennbar, wenn man eine monaurale Klavier-Tonbandaufnahme „falsch herum“, von hinten nach vorn abspielt. Auch lang ausgehaltene Akkorde sind dann nicht mehr als Klavierklang zu identifizieren, obwohl, insgesamt gesehen, frequenzamplitudenstatistisch „alles stimmt“. Allerdings sind die zeitlichen Zusammenhänge von Frequenz und Amplitude durcheinandergeraten. Und das verfälscht den Klang."

Myro Ocean.jpg

Myro Ocean

Die Natur der Klänge

Natürliche Schallereignisse gründen im Prinzip auf der Anregung und dem Ausklingen. Am Beispiel einer Gitarren-Saite kann man den Vorgang gut beschreiben. Die Anregung der Saite erfolgt durch die Bewegungsenergie eines Fingers oder eines Plektrons. Die resulierende Initialschwingung der Saite ist ein Geräusch, das im wesentlichen von der Anschlagcharakteristik (Geschwindigkeit, Intensität, Ort) bestimmt wird; der Vorgang startet mit der Transiente des Einschwingvorganges. Das ist die erste Halbwelle, die keine reine Sinushalbwelle darstellt sondern ein Frequenzgemisch mit vielen sehr schnellen (Hochfrequenten) Schallanteilen. Das sieht einer Sinushalbwelle jedoch zum verwechseln ähnlich. Es ist die schnelle Anstiegsflanke, erzeugt durch den Fingerschlag des Gitarristen. Wenn eine Saite gezupft oder ein Percussion-Instrument angeschlagen wird, kann die erste Druckwelle sowohl eine Unterdruck- als auch eine Überdruckwelle sein. Das kann man bei Musikproduktionen sehr gut sehen. Unmittelbar nach der Anregung zwingt das Feder-Masse-System der Saite die Schwingungsfrequenz in Richtung der Resonanzfrequenz der Saite. Erst nach zwei, drei Einschwingimpulsen schwingt die Gitarrenseite in Richtung der Resonanz der Seite aus, bis der Ton verklungen ist bzw. die Seite erneut angezupft wird. Die Schwingungsenergie wird zudem auf dem Gitarrenkorpus übertragen und regt dort weitere Resonanzen an. Die ersten Schallwellen des Vorganges erreichen dessen maximale Lautstärke, wohingegen die nachfolgenden Schwingungen in Richtung der Resonanz der Seite deutlich kleinere Amplituden (eine geringere Lautstärke) beinhalten.
All dies repräsentiert in der Summe den charakteristischen Klang dieses Instruments und die Spielweise des Musikers. Je nach Dämpfung der Saite klingt die Schwingung schnell oder langsam aus. Die Einschwingvorgänge, auch Transienten genannt, beinhalten die höchsten Spitzenamplituden (Schallpegelmaxima) innerhalb der Musik. Sie sind vielfach lauter als das Ausklingen. Die Transienten haben für die auditive Wahrnehmung eine herausragende Bedeutung. Sie sind maßgeblich für die Erkennung und Ortung von Schallereignissen. Ein Dauerton lässt sich praktisch nicht lokalisieren. Erst wenn einem Dauerton Transienten hinzugefügt werden, auch von sehr geringer Intensität (wie z.B. bei Verzerrungen), ist eine Ortung möglich. Wir orten Schallereignisse anhand ihrer Einschwingvorgänge. Daher ist es verständlich, dass sich bei der Lautsprecherwiedergabe eine möglichst richtige Wandlung der Einschwingvorgänge derart stark auf die räumliche Abbildung auswirkt.
Jeder neue Ton, jeder Laut einer Stimme, jede Note beginnt mit einer Transiente. Musik ist ein Transienten-Feuerwerk. Das macht die korrekte Reproduktion der Einschwingvorgänge so wichtig. Dauertöne unterschiedlicher Instrumente unterscheiden sich oft so wenig, so dass eine Unterscheidung der Instrumente nicht gelingt. Die Charakteristik der Einschwingvorgänge ist essentiell für das Erkennen und Orten von Schallquellen.
Ein elektroakustischen Wandler muss in jedem Fall Signale so wandeln, wie sie in der Musik tatsächlich vorkamen! Jeder Versuch, damit Verpolungen von Chassis zu rechtfertigen wäre unlogisch. Lautsprecher müssen jedes Eingangssignal, egal wie es aussieht, in die äquivalente Schalldruckstruktur wandeln. Die wenigen Lautsprecher weltweit, die derart wandeln können, klingen darum impulsdynamischer, reiner, räumlich richtiger und authentischer. Fachmännisch betrachtet gehört die richtige Wandlung von Transienten zu der richtigen Übertragungsfunktion eines Lautsprechers, aber die Realisation dieses Anspruchs ist "nicht so einfach".
Die besondere Bedeutung der Einschwingvorgänge gründet zudem darin, dass unter Wohnraumbedingungen nur ein sehr kurzes Zeitfenster existiert, in dem wir den musikalischen Inhalt der Tonaufzeichnungen ungestört hören können. In einem typischen Hörraum vergehen weniger als 2 ms, bis die ersten Reflexionen dem ungetrübten Hörgenuss ein Ende bereiten. Danach hören wir eine Interaktion von Direktschall und Indirektschall (Reflexionen).




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