• Technischer Hintergrund

Raumakustik

Immer wieder hört man, dass eine Audio Anlage sich zu hause anders anhört, als man sie vom Hören beim High End Händler in dessen Hörraum in Erinnerung hat. Der Grund dafür ist, dass der von den Lautsprechern abgestrahlte Schall nun mal an den Wänden und Gegenständen im Raum reflektiert wird und zeitverzögert beim Hörer ankommt. Je mehr Schall der Raum reflektiert, um so weniger nimmt der Hörer den tatsächlichen Schall der Originalaufnahme wahr.  Der Raum hat also wesentlichen Einfluss nicht nur auf den Klangeindruck (bedingt durch den Frequenzgang am Hörplatz), sondern auch auf die räumliche Auflösung des musikalischen Geschehens.

Raummoden

Nicht nur die zeitliche Verzögerung der reflektierten Wellen im Raum (Nachhallzeit), sondern auch die sich bildenden stehenden Schallwellen, sogenannte Raummoden, stellen ein großes Problem für die Wiedergabequalität der Schallwandler dar (Abb. 1 zeigt typische Raummoden).

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Abb1: Verschiedene Raummoden an zwei festen Wänden (https://www.hifizine.com/2011/09/prototyping-dipole-bass-system/)

Raummoden sind Resonanzen, die zwischen parallelen Wänden eines Raumes entstehen können, wenn diese eine halbe Wellenlänge oder ein Vielfaches dessen voneinander entfernt sind. Eine Raummode bzw. stehende Welle entsteht aber auch schon, wenn nur eine Wand bzw. Schall-Begrenzungsfläche vorhanden ist. Die Reflexionen einer solchen Welle addieren sich zum Ursprungssignal, eine Schallpegelanhebung oder -absenkung, je nach Frequenz und Position im Raum, ist die Folge. Dadurch weicht der Höreindruck erheblich vom Original ab.

Bekämpfung von Raummoden

Speziell die Raumresonanzen führen bei tiefen Frequenzen zu Verfälschungen des Musiksignals. Es können Frequenzen ausgelöscht werden, was zu einer Bassschwäche führt, oder verstärkt werden, was man als Dröhnen wahr nimmt. Der Raum hat auch ein langsames Ein –und Ausschwingverhalten. Dies führt zu Verwaschungen des Impulsverhaltens von Klangkörpern, wie z.B. das Anschlagen einer Drum, einer Gitarrensaite oder der Zungenanschlag beim Gesang.

Die Raumakustik kann natürlich durch Dämpfungsmaßnahmen verbessert werden. Das führt aber nicht immer zu einer Verschönerung des Raums und löst nicht alle Probleme. Um also die Situation zu verbessern, muss man dafür sorgen, dass der Raum erst gar nicht zum Schwingen angeregt wird. Dies kann man nur dadurch verhindern, dass das Schallwandlersystem möglichst wenig Schall an den Raum abgibt und damit wenig indirekter Schall beim Hörer ankommt. Dies bedeutet, dass man Schallwandler verwenden muss, die möglichst den Schall nicht kugelförmig, also in alle Raumrichtungen, abgeben, sondern direkt den Schall an den Hörer abstrahlen. Um dies zu erreichen verwenden wir über den gesamten Frequenzbereich Dipolstrahler. In Abb.2 werden typische Abstrahlcharakteristiken gezeigt.

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Abb2a:  Kugelförmige Abstrahlung, typisch für tiefe Frequenzen eines konventionellen Subwoofers, was zur Anregung des gesamten Hörraums führt.

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Abb2b: Typische Abstrahlcharakteristik für einen Dipolstrahler.
(https://commons.wikimedia.org)

Wir entwickeln also für den gesamten Frequenzbereich Dipolstrahler. Für den Bassbereich bis maximal 150Hz verwenden wir einen Dipol Subwoofer nach dem Linkwitz- Prinzip. Der Subwoofer strahlt nur nach vorne und hinten ab. Der große Vorteil eines solchen Systems ist, dass der von den Wänden reflektierte Schall sich beim nächsten aufeinandertreffen fast vollständig auslöscht. Raummoden werden dadurch nur minimal angeregt und stören somit nur geringfügig das originale Signal. Impulse werden dadurch nicht verweichlicht, sondern bleiben wie im Original erhalten. Man kann im Bassbereich die Musikinstrumente noch differenziert auseinanderhalten, während beim konventionellen System eine Verwaschung stattfindet.

Im Mittelhochtonbereich spielen Raummoden eine immer stärker untergeordnete Rolle. Je größer der Abstrahlwinkel, um so mehr hört man hier allerdings, ebenfalls bedingt durch Reflexionen, die zeitverzögert das Ohr erreichen, den Hörraum. Dies wird von uns durch den Einsatz von großflächigen Elektrostaten (siehe unten), die ebenfalls als Dipolstrahler arbeiten, erheblich verringert. Auch hier werden Reflexionen, hervorgerufen durch die rückwärtige Abstrahlung, unterdrückt.

Gehäuse

Die Gesamtperformance eines Lautsprechersystems hängt unter anderem auch von der akustischen Wirkung des Gehäuses ab. Die Membranschwingungen des Lautsprechers führen gerade bei tiefen Frequenzen zu hohen Luftdruckunterschieden zwischen Vorder- und Rückwand eines Lautsprechergehäuses, was die Wandflächen der Lautsprecherbox zu Schwingungen anregt. Da die Fläche des Gehäuses viel größer ist als die üblichen Membranflächen der Lautsprecher hat das Gehäuse einen sehr großen Einfluss auf das Klangergebnis. Deshalb verwenden wir beim Bassgehäuse bevorzugt (außer vom Kunden anders gewünscht) High-Performance-Verbundbeton mit einem hohen Anteil an Carbonfasern. Die hohe Dämpfungseigenschaft dieses Materials unterdrückt Eigenschwingungen des Gehäuses wie kein anderes. Zusätzlich verhilft das Konstruktionsprinzip der gegeneinander arbeitenden Basslautsprecher eines Dipolbasses ebenfalls Eigenschwingungen des Gehäuses zu vermeiden. Auf diese Art und Weise ist es uns gelungen gerade im Bassbereich eine hohe Auflösung und Differenzierung, sowie eine verfärbungsfreie natürliche Wiedergabe der Musikinstrumente zu erreichen.

Elektrostaten

Im Mittelhochtonbereich führen besonders die Reflektionen an Decke und Boden zu einem diffusen und harten Klang. Die Dipolcharakteristik der Abstrahlung von High End Elektrostaten verhindert diese Reflektionen. Dies ist ein grundlegender Vorteil für die meisten Wohnräume und Voraussetzung für einen natürlichen dreidimensionalen Klang.

Aufbau

Während die Welt der traditionellen Lautsprechertechnologien aus Konussen, Hauben, Diaphragmen und Bändern besteht, die durch Magnetismus bewegt werden, besteht die Welt der elektrostatischen Lautsprecher aus Ladungen. Man nutzt das Prinzip, dass sich gleiche Ladungen abstoßen und entgegengesetzte Ladungen anziehen.

Ein elektrostatischer Schallwandler setzt sich aus drei Bestandteilen zusammen: den Statoren, dem Diaphragma und den Abstandshaltern.

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Abb3: Aufbau eines Elektrostaten

Die hauchdünne Membran aus Polyester (Markenname: Mylar), die in Längs- sowie Querrichtung zugfest ist, ist mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen. Die von uns entwickelte Beschichtung ist hochgradig alterungsstabil und UV fest.

Die Membran ist zwischen zwei starren Lochblechen, den Statoren, aufgespannt. Zusammen mit der Membran sind sie an den Rändern mit speziellen Klebebändern, die akustisch neutral sind, als Abstandshalter zu einem Sandwich verklebt. In der Mitte kann die Membran frei schwingen. Durch die Lochung der Bleche kann der Schall ungehindert entweichen. Die Lochbleche sind mit einem Polyesterharz zur elektrischen Isolierung beschichtet. Zur Schallerzeugung wird eine hohe Spannung (Polarisationsspannung) von 2500 – 5000 Volt je nach Größe der Statoren an die Membran angelegt. An den Statoren hingegen liegt eine Spannung an, deren Stärke und Polarität direkt vom Musiksignal aus dem Verstärker moduliert wird. Das Signal wird mit Hilfe eines speziellen Transformators auf die 70 -100 fache Spannung transformiert. Dadurch wird die Membran rhythmisch von den Statoren angezogen bzw. abgestoßen (Push-Pull-Prinzip). Auf diese Weise werden Luftdruckwellen erzeugt, die wir als Schall wahrnehmen (siehe Abb.4).

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Abb3: Aufbau eines Elektrostaten

Vorteile des elektrostatischen Prinzips

Die Technik des Push-Pull-Betriebs (also Drücken und Ziehen) stellt aufgrund ihrer außergewöhnlichen Linearität und geringen Verzerrung einen Hauptbeitrag zur klanglichen Reinheit des elektrostatischen Konzepts dar. Da das Diaphragma eines elektrostatischen Lautsprechers über seine gesamte Fläche einheitlich getrieben wird, kann es äußerst leicht und flexibel sein. Damit ist es sehr reaktionsfähig gegenüber Einschwingvorgängen und verfolgt somit das Musiksignal perfekt. Als Ergebnis sind eine große Impulstreue, Nuancierung und Klarheit möglich. Die Konusse und Hauben, die bei den traditionellen elektromagnetischen Treibern zur Anwendung kommen, können aufgrund ihres Designs nicht einheitlich angetrieben werden. Konusse werden nur an der Konusspitze angetrieben. Hauben werden nur an ihrem Kreisumfang angetrieben. Somit schwingt der restliche Teil des Konusses ohne Antrieb mit. Dies führt zu Eigenschwingungen, die nur vermeidbar sind wenn der Konus bzw. die Haube vollkommen steif, gedämpft und masselos wären, was aber physikalisch nicht möglich ist.  Damit sich diese Konusse bzw. Hauben bewegen, müssen bei allen elektromagnetischen Treibern auf Spulenkörper gewickelte Schwingspulen, Zentrierspinnen und Einfassungen zur sicheren Positionierung des Konusses bzw. der Haube vorhanden sein. Diese Teile resultieren in Kombination mit der großen Masse der verwendeten Konus- bzw. Haubenmaterialien in einem äußerst komplexen Gerät mit zahlreichen Schwachstellen und Fehlermöglichkeiten. Diese Fehler tragen zu der hohen Verzerrung bei, wie sie bei diesen Treibern vorzufinden ist, und bedeuten einen gewaltigen Nachteil, wenn die Membranmaterialien versuchen, diese Bewegung so schnell und exakt zu verändern, wie das bei einem Lautsprecher der Fall sein muss.

Ein weiterer Vorteil des elektrostatischen Prinzips ist eine einzelne nahtlose Membran für nahezu den gesamten Frequenzbereich von 150 – 20000 Hz. Es kommen deshalb keine Weichennetzwerke in kritischen Frequenzbereichen zur Anwendung. Die Membran gibt den gesamten Frequenzbereich über nur einen Weichenpunkt wieder. Bei elektromagnetischen Systemen sind Weichennetzwerke, die die Hoch-, Mitte- und Tieffrequenzen zusammensetzen müssen, notwendig. Aufgrund der Phasenbeziehungen innerhalb der Weichennetzwerke und während des akustischen Neukombinierungsprozesses treten leider Nichtlinearitäten auf, die zu einer erheblichen Verschlechterung des Musiksignals in der kritischen Zone des Ohrs führen. Der elektrostatische Lautsprecher kann alle Frequenzen über einen Weichenpunkt gleichzeitig wiedergeben. Die mit traditionellen Hochtöner-, Mitteltöner- und Tieftönersystemen in Verbindung stehenden Weichen-Phasenaberrationen können somit vermieden werden. Das Ergebnis besteht in einer erheblichen Verbesserung der Abbildungsleistung und Bühnendarstellung aufgrund der sehr exakten Phasenbeziehung der Vollbereichspaneel-Wellenaussendung. Vollbereichselektrostaten haben allerdings den Nachteil einer Bassschwäche. Um den für das Ohr wichtigen Frequenzbereich mit einem Wandler darzustellen, haben wir uns entschlossen den Bass nur bei tiefen Frequenzen mit Konuslautsprechern zu unterstützen, ohne den Vorteil eines Vollbereichselektrostaten aufgeben zu müssen. Dies wurde erreicht, indem die Übergangsfrequenz in einem für das Ohr unkritischen Bereich zwischen 80 -150 Hz liegt. Durch den Einsatz eines DSP angesteuerten Dipolsubwoofers erreichen wir über den gesamten Frequenzbereich eine homogene Abstrahlcharakteristik und optimale Anpassung an den Elektrostaten. Dies führt zu einer Schallabgabe über den ganzen Frequenzbereich wie aus einem Gruss und konnten die typischen Probleme von konventionellen Hybridsystemen, bei denen der Bassbereich nicht optimal zum Klangbild des Elektrostaten passt, eliminieren.

Die bei konventionellen (planen) Elektrostaten nachteilige Bündellung des Schalls wird durch die Krümmung der Statoren so kompensiert, dass der Vorteil der Minimierung von Raumreflektionen erhalten bleibt. Der Schall ist nicht auf einen Hörpunkt konzentriert sondern breiter verteilt. Die optimale Hörposition ist damit nicht mehr so kritisch.

Es zeigt sich also, dass ein System mit großer Membranfläche, geringe bewegte Massen und Dipolabstrahlcharakteristik konventionellen Systemen in der Natürlichkeit der Schallabgabe und räumlichen Darstellung überlegen ist.