Teil 2 von 2: Frequenzgänge, Verzerrungen, Intermodulationen – was geht mit Hörnern wirklich?
Grafiken und Messungen: Anselm Goertz
Im ersten Teil dieses Beitrags wurden die Grundlagen zum Thema „Hörner und Kompressionstreiber“ erklärt. Hier nun soll es darum gehen, welche Vorzüge Hörner in der Praxis zu bieten haben – und ob es da nicht vielleicht auch den einen oder anderen Wermutstropfen gibt.
Bleiben wir dazu zunächst bei dem im ersten Teil vorgestellten Treiber Lamar Model 1 mit seinem riesigen Exponentialhorn. Der starke Antrieb mit einem hohen Kraftkopplungsfaktor (Bl) transformiert die akustische Belastung der Membran deutlich sichtbar auch auf die elektrische Seite. Der Verlauf der elektrischen Impedanz des nominellen 8-Ω-Treibers in Abbildung 1 ist daher nicht nur von den elektrischen Komponenten wie dem Gleichstromwiderstand und der Schwingspuleninduktivität sowie den mechanischen Anteilen der bewegten Masse und der Federsteifigkeit geprägt, sondern besonders ausgeprägt auch durch den akustischen Strahlungswiderstand, den diese Membran erfährt. Für ein ideales, d. h. unendlich langes Horn wäre der Strahlungswiderstand bis zur unteren Grenzfrequenz des Hornes weitgehend konstant und gleichmäßig im Verlauf.
Reale Hörner mit endlichen Abmessungen weichen jedoch – abhängig vom Konstruktionsprinzip – mehr oder weniger stark von diesem Verhalten ab. Sobald die aus dem Horn hinauslaufende Welle am Hornmund auf ein freies Feld trifft, gibt es einen Sprung in der akustischen Impedanz, der dazu führt, dass ein Teil der Welle in das Horn zurückläuft und mit dem Direktschall interferiert. Dieser auch als Mündungsreflexion bezeichnete Effekt ist frequenzabhängig und sowohl in der Impedanzkurve wie auch im Frequenzgang zu erkennen. Die scharfen Impedanzspitzen knapp unterhalb von 400 Hz und knapp oberhalb von 500 Hz lassen sich so auch als schmale Einbrüche im Frequenzgang aus Abbildung 2 finden. Dank der nicht gerade kleinen Abmessungen des Lamar-Exponentialhornes kommt man dem Ideal des unendlich langen Horns schon recht nahe, das Gesamtergebnis für den Frequenzgang resultiert in einem entsprechend gleichmäßigen Verlauf.
Winziger Treiber mit großem Sound dank Horn – funktioniert das?
Schaut man sich den Frequenzgang aus Abbildung 2 unvoreingenommen an, dann würde man auf den ersten Blick vermutlich keinen Kompressionstreiber mit 2″-Membran dahinter vermuten. In Kombination mit dem Horn reicht der nutzbare Frequenzbereich von 200 Hz bis ca. 18 kHz. Oberhalb von 7 kHz fällt die Kurve zwar um 10 dB ab, bleibt aber immer noch auf einem Niveau von 100 dB. Ursachen dafür kann es mehrere geben. Das Horn als solches scheidet jedoch weitgehend aus, da der Treiber auch an der PWT (Plane Wave Tube) gemessen diesen Effekt zeigt. Die Kohlefasermembran des Lamar-Treibers wird von einer großzügig dimensionierten Tangentialaufhängung aus Fiberglas geführt. Diese Art der Membranaufhängung ist schon seit den 1920er Jahren gebräuchlich und wird bis heute eingesetzt, da sie eine gute Dämpfung der Membranresonanz bewirkt. Resonanzspitzen im Frequenzgang lassen sich damit vermeiden. Typisch für diese Art Aufhängung ist jedoch der Roll-off im Frequenzgang zu den hohen Frequenzen hin.
Für die Praxis stellt sich die Frage, wie man eine solche Treiber-Horn-Kombination am besten einsetzt? Ganz klassisch wäre die Kombination mit einem echten Superhochtöner, z. B. einem Ringradiator, der sich ab 8 kHz gut ergänzen würde. Alternativ könnte man auch, so wie in Abbildung 2 gezeigt, zu einem Filter greifen und den Verlauf korrigieren. Die 10-dB-Anhebung in diesem Frequenzbereich ist unkritisch, da hier kaum noch Signalenergie vorhanden ist. Der M1 dürfte mit seiner leichten und hochfesten Carbon-Membran auch kaum Probleme im Frequenzbereich oberhalb von 10 kHz machen.
Am unteren Ende sind eine Hochpassfilterung und ein ergänzender Tieftöner natürlich unvermeidlich. Passend wäre ein horngeladener kurzhubiger 15″-Tieftöner mit hoher Sensitivity, der sich auch klanglich gut einfügen würde. Für das Filter in Abbildung 2 wurde als Hochpass ein Linkwitz-Riley-Filter mit 24 dB/Oct. Steilheit und 150 Hz Eckfrequenz eingesetzt.
Nichtlinearität
Ein Blick auf die Sensitivity aus Abbildung 2 lässt Freunde kleiner Röhrenendstufen frohlocken: 110 dB bei 2,83 V – und das auch noch über einen sehr weiten Frequenzbereich. Möglich wird das zum einen durch das Horn, zum anderen durch die hohe Kompression im Treiber. Die Kompression von der 50-mm-Membran auf die 18-mm-Austrittsöffnung und
auch der relativ lange und enge Hornhals bedingen jedoch auch extrem hohe Schalldrücke in diesen Bereichen, sodass die Luft beginnt, ein nichtlineares Verhalten zu zeigen und somit Verzerrungen zu verursachen.
Die Verzerrungen von Kompressionstreibern gehen primär auf diese thermodynamischen Effekte in der Luft zurück, weniger auf Nichtlinearitäten im Antrieb der Membran. Bei Kompressionstreibern ist die Membranauslenkung für mittlere und hohe Frequenzen so gering, dass die Auswirkungen nahezu vernachlässigbar sind. Anders wird es bei tieferen Frequenzen, wo die Membranauslenkung zunimmt. Beide Effekte lassen sich gut unterscheiden, da die Nichtlinearitäten im Antrieb primär k3-Verzerrungsanteile verursachen und die der Luft k2-Anteile; Abbildung 3 zeigt das am Beispiel des Lamar-Treibers sehr schön. Die Gesamtverzerrungen (THD) werden unterhalb von 300 Hz vom k3 dominiert, oberhalb von 300 Hz vom k2. Der k2 steigt bei zunehmender Frequenz mit ca. 6 dB pro Oktave an. Wer jetzt schon mit Schrecken die fast 10 % Verzerrungen bei 5 kHz sieht, dem sei zur Beruhigung gesagt, dass es auch schon um einen Schalldruck von 110 dB bezogen auf 1 m Entfernung geht – und somit um einen Wert, in den viele andere Hochtöner nicht einmal ansatzweise vorzustoßen wagen.
Sollen neben den harmonischen Verzerrungen auch die Intermodulationsverzerrungen erfasst werden, dann ist ein Multisinussignal als Messsignal gefordert. Abbildung 4 zeigt dazu die Messung des Lamar M1. Das Messsignal wurde vergleichbar einem typischen Musiksignal nach EIA-426B gewichtet und hatte einen ebenfalls für Musik typischen Crestfaktor (Spitzenwert zu Effektivwert) von 12 dB. Der M1 wurde dazu über ein Filter entsprechend der Kurve aus Abbildung 2 betrieben. Bei einer Klemmenspannung am Treiber von 4,47 Veff (2,5 W an 8 Ω) wurde ein Schalldruck von 110 dB als Mittlungspegel (Leq) und 122 dB als Spitzenpegel bezogen auf 1 m Abstand erreicht. Die Messung wurde in einem Abstand von 8 m ausgeführt und dann auf den üblichen 1-m-Wert zurückgerechnet, da man sich bei einer Strahlerfläche in der Größe der Hornöffnung bei 1 m partiell noch im Nahfeld der Quelle befinden würde.
Eine übliche Abhörlautstärke sind 85 dBA. Geht man von 110 dB linear bewertet in 1 m Entfernung aus, dann werden die 85 dBA mit dem typischen Testsignal in 12,6 m Entfernung erreicht, was sicherlich ein sehr beeindruckender Wert ist, vor allem in Anbetracht der dafür erforderlichen elektrischen Leistung von nur 2,5 W. Aber Achtung: Die 2,5 W sind ein Mittelwert, die Leistungsspitzen liegen dann mit 40 W doch deutlich höher.
Directivity
Völlig vernachlässigt wurde bisher das Thema Directivity, bei dem es um das räumliche Abstrahlverhalten eines Lautsprechers geht. Relevant wird es insbesondere dann, wenn eine schwierige Raumakustik ins Spiel kommt. In halligen Räumen wird die Wiedergabe über Lautsprecher umso besser, je mehr es gelingt, möglichst viel Direktschall an den Ort des Zuhörers zu bringen und gleichzeitig so wenig wie möglich in den restlichen Raum, womit der unerwünschte Nachhall angeregt oder Reflexionen verursacht würden.
Wie gut es mit einem großen Horn gelingen kann, die Schallabstrahlung zu richten, zeigen die Isobarenkurven des M1 mit dem Expohorn in Abbildung 5. Schon ab 200 Hz erkennt man ein ausgeprägtes Richtverhalten, das sich zu den hohen Frequenzen hin noch langsam weiter einschnürt. Letzteres ist eine typische Eigenschaft von Exponentialhörnern, die nicht immer gewünscht ist. Andere Hornverläufe können hier Abhilfe schaffen, wo es dann aber auch wieder gilt, Kompromisse an anderen Stellen zu machen. Das hochinteressante Thema „Hörner und ihr Abstrahlverhalten“ würde locker für einen eigenen Artikel reichen und kann daher an dieser Stelle nur kurz angerissen, aber nicht in der Tiefe bearbeitet werden.
Der Vergleich: ohne Horn/mit Horn
Ein zweites und deutlich anders aufgebautes Beispiel für eine Treiber-Horn-Kombination wurde mit dem M2-System von Avantgarde Acoustic zur Verfügung gestellt. Hier arbeitet ein 170-mm-Konuslautsprecher mit einem relativ geringen Kompressionsverhältnis und ohne Phaseplug auf ein großes Kugelwellenhorn. Diese Kombination ist ausgelegt für den Frequenzbereich von ca. 200 Hz bis 2 kHz. Da sich Horn und Treibereinheit unkompliziert trennen ließen, wurden die Messungen zum einen am Treiber mit Horn, zum anderen am Treiber solo, wie in einer „normalen“ Box durchgeführt.
Abbildung 6 zeigt dazu die Frequenzgänge mit Angabe der Sensitivity bezogen auf 4 V/1 m, entsprechend 1 W bei einem nominellen 16-Ω-System. Die Messungen erfolgten auch hier wieder in 8 m Abstand mit anschließender Umrechnung auf den üblichen 1-m-Wert. Die Wirkung des Horns mit einer unteren Eckfrequenz von ca. 200 Hz ist überdeutlich: Der Zugewinn in der Sensitivity erreicht Werte von bis zu 15 dB bei 300 Hz.
In einer weiteren Messreihe wurde geprüft, welche Pegel mit den beiden Varianten bei höchstens 3 % und bei höchstens 10 % Verzerrungen möglich sind (Abbildung 7). Um die Treiber bei der Messung nicht zu überlasten, wurde zusätzlich noch ein Leistungslimit von 50 W festgesetzt. Die blauen Kurven wurden für den Treiber ohne Horn, die roten mit Horn gemessen. Die hellblaue und die orangefarbene Kurve wurden für das Limit mit 3 % gemessen, die dunkelblaue bzw. rote Kurve für das Limit mit 10 %. Dort, wo beide Kurven zusammenfallen, wurde das 10-%-Limit nicht erreicht, bevor das Leistungslimit von 50 W den Messvorgang stoppte. Die zusätzlich eingezeichneten gestrichelten Kurven sind der mit 50 W rechnerisch mögliche Maximalpegel, der sich aus der Sensitivity für 1 W +17 dB, für 50 W bestimmt.
Speziell im wichtigen Low-Mid-Frequenzbereich, wo die Energiedichte bei Musik besonders hoch ist, bedeutet das Horn einen großen Gewinn. Der M2 mit Horn ist hier in seinem Arbeitsbereich fast durchgängig für 120 dB gut. Ohne Horn fällt die Kurve zu den tieferen Frequenzen hin schnell ab. Man könnte das zwar durch mehr Leistung kompensieren, doch dann würden auch die Verzerrungen ansteigen und es wäre alsbald ein Limit erreicht, wo der Treiber überlastet würde. Jede Erhöhung des Schalldrucks um 3 dB erfordert eine Verdopplung der Verstärkerleistung – um 15 dB aufzuholen wären somit statt 50 W stolze 1,6 kW erforderlich.
Um für den M2 eine möglichst praxisnahe Verzerrungsmessung unter Berücksichtigung der harmonischen Verzerrungen und Intermodulationen zu ermöglichen, wurde ein Multisinussignal für den Frequenzbereich von 200 Hz bis 2 kHz generiert (siehe Abbildung 8). Mit einer spektralen Verteilung und einem Crestfaktor von 12 dB stellt das Signal für den Lautsprecher eine sehr realitätsnahe Belastung dar.
Für einen realistischen Vergleich mit und ohne Horn wurde aus den Messungen der Frequenzgänge (Abbildung 6) ein Filter berechnet, das den Treiber ohne Horn auf den Frequenzgang mit Horn anpasst (Abbildung 9).
Beide Varianten des M2, mit Horn oder mit Filterung, lieferten somit vergleichbare Frequenzgänge. Für das Multisinus-Testsignal mit Bandpassfilterung aus Abbildung 8 wurde dann der Pegel so lange erhöht, bis bezogen auf 1 m Entfernung ein Mittlungspegel von 104 dB erreicht wurde. Der M2 ohne Horn lieferte dabei einen Verzerrungsanteil von 8 % und mit Horn von nur 1,7 %. Ohne Horn wurde für den vergleichbaren Schalldruck zudem die siebenfache Verstärkerleistung benötigt. Deutlich ist an diesem Vergleich zu erkennen, dass der Gewinn an Schalldruck durch das Horn weitaus stärker wiegt als mögliche Verzerrungen durch die Kompression und den Hornhals. Für das M2-Horn gelingt das besonders gut, da der anvisierte Übertragungsbereich relativ eng ist und auf extreme Kompressionswerte verzichtet wurde.
Fazit
Im zweiten Teil unseres Beitrags über Treiber und Hörner wurden mit dem Lamar M1 und dem Avantgarde M2 zwei sehr unterschiedliche Kombinationen messtechnisch betrachtet. Beide zeigen, dass mit richtig eingesetzten Hörnern hohe Zugewinne im Schalldruck erzielt werden können, die es auch mit kleinen Verstärkern ermöglichen, mit angemessenen Pegeln zu hören, und weitaus mehr Möglichkeiten der Dynamikentfaltung bieten als herkömmliche Direktstrahler. Hörner und Treiber haben aber unvermeidlich auch mit einer ganzen Menge spezifischer Probleme zu kämpfen, die man in diesem Zusammenhang nicht verschweigen sollte. Dominant werden diese Schwachpunkte üblicherweise aber erst bei Schalldrücken, die deutlich jenseits dessen liegen, was im HiFi-Bereich erforderlich ist. Man kann die Vorzüge also weitgehend ungetrübt genießen.
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