Messungen Avantgarde Acoustic Zero 1
Mit der Zero 1 betritt man bei Avantgarde Acoustic in vielerlei Hinsicht neue Wege. Es handelt sich um ein vollaktives System mit drei integrierten Endstufen, eine davon sogar als Class-D-Schaltung. Alle Filterfunktionen werden als Digitalfilter mit FIR-Struktur realisiert. Hinzu kommen digitale Eingänge inklusive USB-Interface und eine Verbindung zwischen den beiden Lautsprechern über eine digitale Funkstrecke. Alle hier aufgezählten Features sind für die klassische Hornlautsprecher-Klientel mehr als ungewöhnlich, wo man sonst doch eher den puristischen Ansatz mit reiner Analogtechnik, einfachen passiven Filtern und Röhrenverstärkern findet. Umso mutiger und auch lobenswerter ist der Schritt von Holger Fromme bei Avantgarde Acoustic zu bewerten, über alle Zeiten hinweg die schon immer attraktive Horntechnik mit modernster Elektronik zusammenzubringen.
Hörner
An dieser Stelle sei die Frage erlaubt, worin eigentlich die Besonderheit eines Hornlautsprechers besteht? Das Horn vor der Membran erhöht den sogenannten akustischen Strahlungswiderstand und steigert damit den Wirkungsgrad des Treibers. Hinzu kommt eine lenkende Wirkung, mit der sich je nach Ausdehnung des Horns bestimmte Frequenzbereiche gezielter abstrahlen lassen. Beides bringt Vorteile mit sich. Der höhere Wirkungsgrad ermöglicht den Betrieb mit weniger Verstärkerleistung, was ursprünglich der hauptsächliche Entscheidungsgrund für Hörner war, oder eben entsprechend höhere Schalldrücke. Mit Hörnern fällt es deutlich leichter, eine dynamische Wiedergabe mit hohen Signalspitzen zu erzielen. Das Richtverhalten bietet vor allem in akustisch schwierigem Umfeld Vorteile. Das Verhältnis von Direktschallanteilen zum Diffusfeld – Letzteres entsteht durch den Nachhall des Raumes – verbessert sich zugunsten des Direktschalls, die Wiedergabe wird präziser und klarer. Vor allem in modernen Wohnräumen mit vielen schallharten Flächen (Steinzeug, Glas, Sichtbeton etc.) sind die Vorzüge des verstärkten Richtverhaltens erheblich. Gleiches gilt auch für andere verstärkt richtende Quellen wie Linienstrahler und Ähnliches.
Schauen wir uns nun die Zero 1 im Detail an: Da sind zunächst zwei Gehäuseschalen aus hochfestem Polyurethanschaum, die mit reichlich Verstrebungen und einer hohen inneren Dämpfung eine solide Grundlage für den Lautsprecher bilden. In dem Dreiwege-System sind der Mittel- und Hochtöner als Hornsysteme konstruiert und die Tieftoneinheit als Bassreflexgehäuse mit einem 12-Zoll-Treiber. Der Mitteltöner arbeitet mit einem 5-Zoll-Treiber, der auf seiner Rückseite ein kleines geschlossenes Gehäuse trägt und mit der Vorderseite direkt ohne Phaseplug oder Kompressionskammer in das Horn strahlt. Das Horn ist mit einem sphärischen Verlauf berechnet und strahlt den Schall über eine mit 400 Millimeter sehr schön groß angelegten Mundöffnung ab. Das mit einer 130-mm-Mundöffnung deutlich kleinere Hochtonhorn ist ebenfalls als sphärisches Horn berechnet und wird von einem Kompressionstreiber mit 25-mm-(1-Zoll-)Anschluss versorgt. Der bekannte Treiber mit Ringmembran stammt wie der Mittel- und Tieftöner aus der Pro-Audio-Kategorie. Getrennt werden die drei Wege bei 250 und 2000 Hz mit digitalen FIR-Filtern.
Digitale Filter
Bei den digitalen Filtern gibt es zwei grundsätzliche Typen, die IIR- und FIR-Filter. Die Abkürzungen stehen hier für „Infinite Impulse Response“ (IIR) und „Finite Impulse Response“ (FIR). Die Bezeichnungen leiten sich aus der Filterstruktur ab, die bei den IIR-Filtern rückgekoppelte Zweige enthält, die eine theoretisch unendlich lange Impulswort bedingen. FIR-Filter arbeiten mit einer rückkopplungsfreien Vorwärtsstruktur, womit die Impulsantwort immer genau der endlichen Filterlänge entspricht.
In der Praxis unterscheiden sich die Filter dadurch, dass IIR-Filter nur die aus der analogen Filtertechnik bekannten minimalphasigen Filterfunktionen nachbilden können; d. h. hier ist einem gewünschten Amplitudenverlauf immer ein bestimmter Phasenverlauf zugeordnet. Ein Hoch- oder Tiefpassfilter 4. Ordnung bedingt als IIR-Filter damit ähnlich dem analogen Filter immer auch eine Phasendrehung von 360°. FIR-Filter lassen dagegen eine freie Kombination aus Amplituden- und Phasenverlauf zu. Es können somit Filter ganz ohne Phasendrehungen definiert werden oder auch mit einer Wunsch-Phase, die z. B. den Phasengang eines Lautsprechers kompensiert. Je nach Filterdefinition können – müssen aber nicht – daraus Latenzen entstehen, die in Größenordnungen von einigen wenigen Millisekunden bis zu 100 ms oder mehr liegen. Für die reine Heimanwendung ist das völlig unkritisch, solange es nur um Musik geht. Wird dagegen live gespielt oder kommt eine Videoprojektion dazu, sollten die Latenzen auf Zeiten von maximal 10 – 15 ms beschränkt werden. Was man hier an Latenzen zugesteht, hat nichts mit mehr oder weniger audiophiler Qualität des Filters zu tun, sondern bedingt lediglich die Ausdehnung des phasenlinearen Frequenzbereiches. Tiefe Frequenzen mit phasenlinearen Filtern benötigen große Latenzen, sodass die Festlegung der Frequenz oberhalb derer man phasenlinear sein möchte, die Latenz bestimmt. Für eine perfekt linearphasige Einstellung des Lautsprechers über den gesamten Frequenzbereich kann es so durchaus zu 100 ms Latenz kommen. Beschränkt man sich dagegen auf Frequenzen z. B. oberhalb von 300 Hz, reichen auch 10 ms schon aus.
Einzelmessungen
Und damit zurück zur Zero 1. Speziell im Messlabor war der Wunsch groß, nicht nur die Box als Ganzes zu messen, sondern auch die einzelnen Wege zunächst einmal pur und ohne Elektronik zu sehen. Diesem Wunsch kamen der zusammen mit den Testmustern angereiste Entwickler Holger Fromme und DSP-Experte Thomas Holm gerne nach. Die zugehörige Elektronik wurde abgeklemmt und jeder Weg einzeln für das Messsystem zugänglich gemacht.
Die Impedanzkurven zeigen drei für ihre jeweiligen Arbeitsbereiche nominelle 8-Ω-Systeme. Die Abstimmfrequenz des Bassreflexgehäuses für den Tieftöner (rote Kurve) gibt sich bei 46 Hz zu erkennen. Der Bassreflexresonator ist komplett in die hintere Gehäuseschale integriert, mit der Austrittsöffnung auf der Rückseite unterhalb des Mitteltongehäuses. Die Grundresonanz des Mitteltöners (grüne Kurve) in seinem kleinen Gehäuse liegt bei 129 Hz und die des Hochtöners (blaue Kurve) bei 1070 Hz, womit man sich in beiden Fällen hinreichend Abstand zum Einsatzbereich ab 250 Hz bzw. ab 2000 Hz schafft.
Interessanter wird es bei den Frequenzgängen aus Abbildung 2. Für den Tieftöner stellt sich ein übliches Bild für einen 12-Zoll-Treiber ein. Die Sensitivity liegt im Mittel bei 94 dB, wenn man den Frequenzbereich von 50 Hz bis 250 Hz betrachtet. Einsetzbar ist der Tieftöner ab ca. 40 Hz. Bei der ersten Messung stellte sich noch das seltsame Phänomen eines scharfen Einbruchs bei ca. 130 Hz ein, der sich als Gehäuseresonanz an einer nicht hinreichend festen Verschraubung entpuppte, die dann umgehend behoben werden konnte. Die Mitteltoneinheit erreicht eine mittlere Sensitivity von knappen 100 dB, gemittelt von 250 Hz bis 2 kHz. Hier wäre man fast geneigt, in Anbetracht des großen Horns noch mehr zu erwarten. Der Verzicht auf eine Kompressionskammer vor dem Treiber führt jedoch dazu, dass die Werte nicht ganz so hoch ausfallen. Durch eine Kompressionskammer lässt sich der Strahlungswiderstand für die Membran noch weiter steigern, auf der anderen Seite steigen aber auch die Verzerrungen an. Für die Zero 1 wurde daher beim besonders sensiblen Mitteltöner auf die Kompressionskammer verzichtet, da die Sensitivity auch ohne Kammer schon hinreichend ist. Der Hochtöner kann demgegenüber noch einmal deutlich zulegen und überschreitet bereichsweise sogar die 110-dB-Linie. Auch hier ist gut zu erkennen, dass der Einsatzbereich ab 2 kHz aufwärts für den Treiber optimal gewählt wurde. Oberhalb von 22 kHz ist wie bei fast allen Kompressionstreibern ein Limit erreicht. Zusammen mit den digitalen Filtern, die mit 48 kHz Abtastrate arbeiten, ergänzt sich das jedoch bestens. In ihrer Gesamtheit betrachtet bieten die drei Wege somit gute Voraussetzungen für ein harmonisches Gesamtsystem, das sich ohne extreme Eingriffe der Filter realisieren lässt.
Unter den Gesichtspunkten einer analogen – oder sogar passiv analogen – Filterung betrachtet, wäre ein solches Filter kaum oder gar nicht machbar und würde auch diverse Nachteile mit sich bringen. Digitale FIR-Filter kennen dieses Problem nicht. Hier ist es lediglich eine Frage der Rechenleistung und der sinnvollen Filterberechnung. Speziell bei Letzterem wurde jedoch in der Vergangenheit bei Lautsprechern mit FIR-Filtern auch vieles falsch gemacht oder unglücklich gelöst, was den FIR-Filtern ungerechtfertigter Weise so manches Mal einen schlechten Ruf einbrachte.
Bis zu dieser Stelle, den Filterausgängen, bleibt man in der Zero-1-Signalkette konsequent in der digitalen Domäne – vorausgesetzt, das Eingangssignal liegt auch in digitaler Form vor. Da das immer häufiger der Fall ist, gehört der analoge Eingang der Zero 1 nur noch zu den optionalen Ausstattungsmerkmalen. Ebenfalls eine sehr mutige, aber auch konsequente Entscheidung.
Als Verstärker werden eine 400 Watt starke Class-D-Endstufe des niederländischen Herstellers Hypex und zwei hauseigene patentierte Class-AB-Endstufen mit jeweils 50 Watt eingesetzt. Die Endstufenschaltung entstammt der XA-Serie von Avantgarde Acoustic und kommt ohne eine Über-alles-Gegenkopplung aus. Der Class-A-Arbeitsbereich der Schaltung ist mit Bedacht weit ausgedehnt, sodass man sich für normale Pegelverhältnisse im reinen A-Betrieb befindet. Da alle drei Endstufen das Signal analog benötigen, bedarf es noch einer D/A-Umsetzung, die hier mit 24-Bit-DACs von Burr-Brown erfolgt. Die maximale Ausgangsspannung der DACs ist für maximale Dynamik und minimale Störgeräusche optimal an die nachfolgenden Endstufen angepasst. Dieser Aspekt ist speziell bei Lautsprechern mit hoher Sensitivity, die hier ohne passive Vordämpfung direkt am Aus-gang der Endstufe liegen, nicht zu vernachlässigen. So lag der gemessene Störpegel der Zero 1, bezogen auf 1 m Entfernung, bei sensationell guten 3 dBA, was unter allen normalen Umständen völlig unhörbar ist.
Gesamtsystem
Das Gesamtsystem aus Filtern, Endstufen und Lautsprechern erfüllt die hohen Erwartungen, die bisher schon geweckt wurden, voll und ganz. In Abb. 4 ergänzen sich die drei Wege mit Filterung in der Summe zu einem perfekt geraden Verlauf. Die 3 dB Anhebungen an den beiden Enden sind eine Geschmackseinstellung, wenn man es so nennen darf, die auch entfallen oder beliebig anders aussehen könnte. Nicht zuletzt könnte man bei der Vorgabe einer Zielfunktion für die Filterberechnung auch direkt noch eine mögliche Raumkompensation mit einstellen.
Wie bereits angesprochen, ermöglichen die FIR-Filter auch eine Phasenentzerrung. Abbildung 5 stellt eindrucksvoll dar, wie die Zero 1 einen über alles linearphasigen Verlauf erreicht. Auch hier gilt, dass nahezu beliebige andere Verläufe möglich sind. Transformiert man Amplituden- und Phasenverlauf mittels Fouriertransformation in den Zeitbereich, erhält man die Impulsantwort. Wird diese integriert, dann wird daraus die Sprungantwort, die wir in Abbildung 6 sehen. Wie erwartet findet sich hier eine fast ideale Flanke, und der Gesamtverlauf kommt dem eines linearphasigen Bandpassfilters mit Eckfrequen¬zen von ca. 40 Hz und 22 kHz recht nahe.
Konsequenterweise schließt sich das Spektrogramm hier an. Speziell Hornlautsprecher und deren Treiber neigen manchmal zu Resonanzproblemen. Die Zero 1 hat jedoch damit offensichtlich keine Probleme, was auch naheliegend ist: Der Mitteltöner kommt ohne Kompressionskammer aus, die eine der Hauptursachen für Resonanzen ist, und der Hochtontreiber mit seiner schmalen Ringmembran ist ebenfalls für ein resonanzarmes Verhalten prädestiniert, da die Membran selbst weniger zu Partialschwingungen neigt als die großflächigen Kalottenmembranen. Beide Hörner folgen einer für das Ein- und Ausschwingverhalten günstigen sphärischen Form und gehen kontinuierlich und frei von Sprungstellen in die Gehäusefront über. Den Rest erledigen dann noch die Filter, sodass ein über alles mustergültiges Spektrogramm entsteht.
Isobaren
Als weitere Eigenschaft von Hornlautsprechern wurde die gerichtete Schallabstrahlung angesprochen. Dabei ist genau zu differenzieren, für welchen Frequenzbereich die Bündelung erzielt wird und wie gleichmäßig diese gelingt. Idealerweise sollte das Bündelungsverhalten eines Lautsprechers über einen möglichst weiten Frequenzbereich der Anwendung angemessen und konstant sein. Nur die hohen Frequenzen stark zu bündeln, die Mitten aber nicht, würde so z. B. zu einem unausgewogenen Klangbild führen. Die Isobarenkurven in Abbildung 8 und 9 zeigen das Abstrahlverhalten der Avantgarde Acoustic Zero 1 für die horizontale und vertikale Ebene. Meist kommt der Horizontalen eine etwas größere Bedeutung zu, da der Hörer hier mehr Bewegungsfreiheit benötigt. Vertikal kann man dagegen fast immer von einer fixen Position bzw. Ohrhöhe ausgehen, die in einer Größenordnung von 1,2 m für sitzende Personen liegt. Ist der Lautsprecher passend aufgestellt, dann befindet sich der Hörer auch im nahen Umfeld der 0°-Achse.
Für die Horizontale zeigt die Zero 1 bereits ab 300 Hz aufwärts eine signifikante Bündelung. Die Isobaren schnüren sich zu den höheren Frequenzen weiter ein bis zum Einsatzpunkt des Hochtöners, wo es ab 1,6 kHz aufwärts zu einer lokalen Aufweitung kommt. Zu den höchsten Frequenzen hin verengen sich die – 6-dB-Isobaren dann auf ca. 50° Öffnungswinkel. Die Aufweitung bei 2 kHz entspricht vielleicht nicht ganz der Idealvorstellung, wird jedoch durch den gleichmäßigen Verlauf der Isobarenkurven abgemildert und kompensiert sich zudem mit der in der Vertikalen genau an dieser Stelle auftretenden Einschnürung. Für die vertikale Ebene kommt es für ein Mehrwege-System mit übereinander angeordneten Treibern zwangsläufig zu winkelabhängigen Phasenverschiebungen, die sich in Interferenzeffekten äußern, wie sie in Abbildung 9 zu erkennen sind.
Ein weiterer Messwert, der sich vor allem auf Aspekte der Quellenortung, Mittenabbildung etc. auswirkt, ist die Paargleichheit. Im Idealfall sollten beide Lautsprecher eines Stereopärchens möglichst gleich sein, was sich in der Realität natürlich nicht perfekt einhalten lässt. Abbildung 10 zeigt dazu die Abweichungen zwischen den beiden zum Test gestellten Zero 1. Ein Maximalwert von 0,75 dB ist hier als problemlos einzustufen, da die Abweichung zudem nur schmalbandiger Natur ist.
Maximalpegel und Verzerrungen
Für die Verzerrungsmessungen wurden die beiden üblichen Messverfahren mit Sinusbursts und einem Multisinussignal angewandt. Wir betrachten dazu zunächst die Messreihe aus Abbildung 11, bei der Verzerrungsgrenzwerte von 3 % und 10 % vorgegeben und dann ermittelt wurde, welchen maximalen Schalldruck der Lautsprecher dabei bezogen auf 1 m Entfernung unter Freifeldbedingungen erreicht. Die Messung erfolgt mit 185 ms langen Sinusburst-Signalen. Zusätzlich gibt es in diesem Messalgorithmus noch eine Leistungsbegrenzung und eine Limiter-Erkennung, um wenig verzerrende Lautsprecher nicht irgendwann durch eine Überlastung zu zerstören und den Messalgorithmus zu stoppen, wenn ein Limiter gegenregelt oder die Endstufen beginnen zu verzerren.
Dort, wo beide beiden Kurven für 3 % und 10 % Verzerrungen nahezu zusammenfallen, limitiert in der Regel nicht der Lautsprecher, sondern die Elektronik entweder durch einen Limiter oder durch ein einsetzendes Clipping der Endstufen.
In Abbildung 11 sind die drei Wege in ihrem Verhalten gut zu unterscheiden. Der Hochtöner zeigt die für einen Kompressionstreiber ganz typische 10 dB Differenz zwischen den beiden Kurven, die darauf hindeutet, dass die Verzerrungen k2-dominiert und damit eher gutmütiger Natur sind. Unabhängig davon ist der Hochtöner mit Maximalpegelwerten um 120 dB der lauteste Weg – was zwar nicht weiter relevant ist, aber den Umkehrschluss zulässt, dass die Höhen bei geringeren Pegeln nur sehr geringe Verzerrungen erfahren. Der Mitteltöner verfügt über die gleiche Verstärkerleistung, ist aber in der Sensitivity deutlich geringer angesiedelt und entsprechend leiser, was den erreichbaren Maximalpegel betrifft. Vor allem um 300 Hz schwächelt die Kurve ein wenig. Der Tieftöner kann dann dank der 400 W Endstufenleistung auch wieder in die 120-dB-Region vorstoßen. Unklar bleibt der Einbruch bei 120 Hz, dessen Ursache von dieser Stelle aus nicht zu erklären ist. Über alles betrachtet hat man es bei der Zero 1 mit einem Lautsprecher zu tun, der durchaus PA-taugliche Pegel zu liefern in der Lage ist.
Fazit Messwerte
Avantgarde Acoustic stellt mit der Zero 1 einen ebenso ungewöhnlichen wie genialen Lautsprecher vor. Ein 3-Wege-Hornsystem, bestückt mit modernen Treibern, angesteuert von kräftigen Endstufen und kombiniert mit extrem leistungsfähigen Digitalfiltern, läuft hier zu echter Hochform auf. Ja, das sei hier ganz klar gesagt: Hornlautsprecher müssen nicht immer mit historischem Röhrenequipment betrieben werden, sondern können, kombiniert man sie mit moderner Technik, sogar noch viel mehr zeigen, welches Potenzial in ihnen steckt.
Neben den audiophilen Eigenschaften stimmt bei der Zero 1 erfreulicherweise auch noch alles andere. Das Design ist edel, die Verarbeitung wie erwartet perfekt, und zum Anschluss digitaler Medien stehen alle heute verfügbaren Schnittstellen bereit. Konkret bedeutet das: Zwei Netzkabel und eine USB-Leitung zum PC – und das System steht. Purismus kann so auch auf moderne Weise gelebt werden. Und was die Messwerte zeigen, bestätigt der Höreindruck. Die Zero 1 ist extrem neutral und hochanalytisch in der Wiedergabe und versteht es, eine schier unglaubliche Dynamik rüberzubringen. Umso erfreulicher in diesem Zusammenhang ist der Preis, der für das hier Gebotene schon fast unglaublich erscheint.
