Welche Einfluß hat das Bündelungsverhalten meines Lautsprechers und das Absorptionsverhalten des Hörraumes auf Lautstärke und Frequenzgang

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1 TechTalk No Willkommen beim TechTalk - dem regelmäßig erscheinenden Newsletter von ari acoustics. TechTalk erläutert technische Grundlagen und Hintergründe und stellt neue Produkte vor. TechTalk soll auch zur Diskussion anregen. Schreiben Sie uns Ihre Anregungen, Fragen und Korrekturen wenn mal was daneben gehen sollte. Welchen Lautsprecher brauche ich für meine Anwendung und für meinen Raum? Das ist die am häufigsten gestellte fundamentale Frage. Sie ist zudem auch wirklich schwierig, hat sie doch viele unterschiedliche Facetten. Lautstärke diesem sehr wichtigen Aspekt widmet sich die erste Ausgabe des TechTalk. Lautstärke ist schließlich ein zentrales Thema des Lautsprecherbaus. Wie im Folgenden noch deutlich wird, ist das mit der Lautstärke auch nicht ganz so einfach. Daher ganz schrittweise in einzelnen Teilfragen. TechTalk No1: welche Lautstärke soll eine Hifi-Anlage im Hörraum bzw. an der Position des Hörers im Hörraum erzielen. TechTalk Frage No2: Welche Lautsprecher und Verstärker benötige ich für Hifi-gerechte Lautstärke in meinem Raum TechTalk Frage No3: Welche Einfluß hat das Bündelungsverhalten meines Lautsprechers und das Absorptionsverhalten des Hörraumes auf Lautstärke und Frequenzgang Dieses Mal bleibt es nochmals ziemlich theoretisch. Ich habe mir Mühe gegeben gleichzeitig anschaulich und exakt zu sein. Dabei wurde mir erst klar, dass es gar nicht so einfach ist in vernünftigen Näherungen auszurechen wie laut ein System in einem Abhörraum spielen kann (oder welches System ich brauche um meine Wünsche zu erfüllen) Abstrahlverhalten eines Lautsprechers In TechTalk_No2 wurde beschrieben, welchen maximalen Schallpegels ein Lautsprechersystems in einem Raum erzeugen kann. Dabei wurde vorausgesetzt, dass der Lautsprecher in alle Richtungen alle Frequenzen gleichmäßig abstrahlt, den Schall also nicht bündelt. Das ist nur bei wenigen Rundstrahlern wie beispielsweise den Lautsprechern von German Physiks, MBL oder Duevel der Fall. Lautsprecher mit Konustieftönern und Kalottenhochtönern bündeln den Schall mehr oder weniger stark. Dabei werden tiefe Töne nicht gebündelt, hohe Töne dagegen stark. Bild TT03.01 zeigt den winkelabhängigen Frequenzgang der ari acoustics HE-Mini2. Auf Grund ihrer schmalen Schallwand und der vergleichsweise kleinen Lautsprecherchassis bündelt die Mini2 sehr wenig, dennoch wird deutlich, dass mit zunehmender Frequenz außerhalb der Achse immer weniger Schallpegel erzeugt wird. Wird zur Seite und nach hinten weniger Schall abgestrahlt, so nimmt die Schallbündelung zu und die gesamte abgegebene Schallenergie (Schallpegel über alle Raumwinkel gemittelt) nimmt entsprechend ab.

2 Bild TT03.01: Bündelungsverhalten, d.h. winkelabhängiger Frequenzgang der ari acoustics HE-Mini2. Der Lautsprecher weist ein sehr geringes Bündelungsverhalten aus. Lediglich im Frequenzbereich oberhalb 7kHz ist eine deutliche Bündelung zu erkennen. Einfluss der Bündelung des Lautsprechers auf den Frequenzgang an der Hörposition Was bedeutet dies nun für den Frequenzgang im Hörraum. Bild TT03.02 zeigt die Berechnungsergebnisse für den Frequenzgang an der Hörposition bei 3m Hörentfernung in einem 36qm großen Raum mit konstanter RT60 Zeit von 630ms. Hierbei wurde vorausgesetzt, dass der Lautsprecher einen vollständig ebenen Frequenzgang auf Achse aufweist, oberhalb 100Hz aber zunehmend bündelt. Der an der Hörposition eintreffende Direktschall wird also durch den ebenen Frequenzverlauf des Lautsprechers auf Achse vorgegeben, wohingegen der Diffusschall von einem ab 100Hz fallenden Frequenzverlauf (entsprechend dem Mittelwert des Schallpegels über alle Raumwinkel ) angeregt wird. Für den Lautsprecher wurde ein maximales Bündelungsmaß von 12dB bei 20kHz angenommen. Dies ist ein durchaus typischer Wert für einen konventionellen Lautsprecher mit breiter Schallwand und deutlich bündelndem Hochtöner. Der Höhenanteil des Diffusschalls ist daher geringer als der des Direktschalls. Da in 3m Hörabstand der Diffusschall den Direktschall überwiegt, fällt dies besonders stark ins Gewicht.. Das Bild TT03.02 zeigt deutlich, dass aus der Überlagerung des Diffusschalls und des Direktschalls an der Hörposition eine stetig abfallende Schallpegelkurve resultiert. Der mit einem Messmikrophon an der Hörposition gemessene Schallpegel weist daher in der Regel einen fallenden Frequenzgang auf.

3 Hörabstand 3m, a=0,16 konstant Schallpegel in db Frequenzgang auf Achse Frequenzgang Raummittel Direktschall Hörposition Diffusschall Hörposition Gesamtschall Hörposition Frequenz in Hz Bild TT03.02: Gesamtschallpegel an der Hörposition bei einem Lautsprecher mit typischem Bündelungsgrad von 12 db. Einfluss der frequenzabhängigen Absorption des Raumes auf den Frequenzgang an der Hörposition Bei der Berechnung für Bild TT03.02 wurde davon ausgegangen, dass tiefe und hohe Töne im Raum gleich stark absorbiert werden. Auch das ist natürlich in einem realen Raum nicht der Fall. Höhe Töne werden von den meisten Materialien wie Polster, Vorhänge, Tapeten etc. wesentlich stärker Absorbiert als tiefe Töne. Die Absorption ist also stark frequenzabhängig. Die drückt sich im Verlauf der RT60 oder RT30 Zeit aus, die in normalen Wohnräumen zu hohen Frequenzen hin abfällt. Die Variation in Hörräumen mit gemauerten Wänden ist am stärksten in Bassbereich und dem Mittenbereich, da eine Möblierung in der Regel oberhalb 300Hz recht gut dämpft bei tiefen Frequenzen aber nahezu keine Schalldämpfung aufweist und massiv gemauerte Wände den Schall optimal reflektieren. Bild TT03.03 zeigt einen typischen Verlauf der RT60 Zeit in einem solchen Raum. Der Diffusschall in einem solchen Raum wird also im Mittel- und Hochtonbereich stärker Bedämpft als im Tieftonbereich. Der Tieftonanteil des Diffusschalls daher höher als der des Direktschalls. Da in 3m Hörabstand der Diffusschall den Direktschall überwiegt, fällt dies besonders stark ins Gewicht. Bild TT03.04 zeigt die berechneten Verläufe für einen entsprechend Bild TT03.02 bündelnden Lautsprecher einen 36qm großen Raum mit einer nach Bild TT03.03 variierender RT60 Zeit. Das Bild TT03.04 zeigt deutlich, dass aus der Überlagerung des Diffusschalls und des Direktschalls an der Hörposition eine stetig abfallende Schallpegelkurve und eine Anhebung im Tieftonbereich resultiert. Der mit einem Messmikrophon an der Hörposition gemessene Schallpegel weist daher einen fallenden Frequenzgang auf. Im Tieftonbereich wird der grundsätzliche Schalldruckanstieg noch durch die einzelnen Schwingungsmoden des Raumes dominiert. Doch dazu mehr in einem der folgenden TechTalks.

4 RT60 Nachhall in s RT60 Zeit Frequenz in Hz Bild TT03.03: RT60Zeit eines typischen Hörraumes mit gemauerten Wänden. Hohe konstante Absorption im Mittel und Hochtonbereich, schwache Absorption im Tieftonbereich. Hörabstand 3m, a=0,08-0,32 variierend Schallpegel in db Frequenzgang auf Achse Frequenzgang Raummittel Direktschall Hörposition Diffusschall Hörposition Gesamtschall Hörposition Frequenz in Hz Bild TT03.04: Gesamtschallpegel an der Hörposition für einen entsprechend Bild TT03.02 bündelnden Lautsprecher einen 36qm großen Raum mit einer nach Bild TT03.03 variierender RT60 Zeit

5 Fallender Frequenzgang ein Problem? Ganz offensichtlich ist an der Hörposition in einem normalen Hörraum und bei einem normalen Lautsprecher kein ebener Frequenzgang zu erwarten. Aber ist das wirklich ein Problem? Dieses Thema beschäftigt Siegfried Linkwitz bereits seit vielen Jahren Er entwickelte den Dipolstrahler ORION mit exakt definiertem Abstrahlverhalten. Der Bündelungsgrad ist hierbei recht hoch und über den gesamten Frequenzbereich weitgehend konstant. Linkwitz vergleicht diesen gerichtet abstrahlenden Lautsprecher mit einem rundum abstrahlenden Lautsprecher PLUTO der über dem gesamten Frequenzbereich einen sehr geringen Bündelungsgrad aufweist. Trotz der Unterschiede im Bündelungsverhalten der Dipol produziert viel Direktschall, der Rundstrahler viel Diffusschall - klingen beide Lautsprecher nach Angaben von Herrn Linkwitz sehr ähnlich. Dies führt Herr Linkwitz darauf zurück, dass bei beiden Lautsprechern der Frequenzgang des Diffusschalls dem Frequenzgang des Direktschalls weitgehend entspricht. Der Diffusschall überlagert den Direktschall also bei beiden Lautsprechern in gleicher Weise nur eben unterschiedlich stark. Siegfried Linkwitz betont, dass neben dem Frequenzgang auf Achse auch die Frequenzgänge unter Winkeln für den Live Charakter der Widergabe wichtig sind. Zudem sollte sich der typische Verlauf des Frequenzgangs unter Winkeln dem Frequenzgang auf Achse entsprechen. Bild TT03.05: Messungen von Lautsprechern mit kontrolliertem Bündelungsverhalten im Hörraum. Quelle Sigfried Linkwitz The challenge to find the optimum radiation pattern and placement of stereo loudspeakers in a room for the creation of phantom sources and simultaneous masking of real sources Presented at the 7th AES Chile Conference, 2009 November 5-7. Der Schallpegel fällt zwischen 100Hz und 10kHz um rund 7 db ab.

6 Die in Bild TT03.05 dargestellten Messungen des Frequenzgangs an der Hörposition im Hörraum zeigen einen zu hohen Frequenzen merklich fallenden Frequenzgangverlauf - trotz der optimierten Abstrahlcharakteristik der getesteten Lautsprecher. Offensichtlich werden in seinem normalen Wohnzimmer die hohen Töne stärker bedämpft als die tiefen Töne. Floyd Toole und Sean Olive (Harman Kardon) führten sehr detaillierten empirischen Studien durch um herauszubekommen, welche Messwerte von Lautsprechern sich mit positiven Bewertungen von Hörtestern in Übereinstimmung bringen lassen. Dabei wurden die im schalltoten Raum messbaren Größen wie Frequenzgang auf Achse und unter Winkeln, untere und obere Grenzfrequenz, maximaler Schalldruck und Verzerrungen etc. berücksichtigt und zahlreiche Hörsitzungen in neutralen Hörräumen durchgeführt. An dieser Stelle sei auf die ausführliche Darstellung von Floyd Toole verwiesen Sound reproduction: loudspeakers and rooms, Focal press 2008 und die wichtigsten Punkte nur kurz zusammengefasst. Als entscheidende Kriterien für einen guten Klang für die Lautsprecher einer Stereoanlage erarbeiteten Sie (nach Wichtigkeit geordnet): 1. Linearer Frequenzgang auf Achse 2. Gleichmäßig verlaufender Frequenzgang unter Winkeln 3. Gleichmäßiger Verlauf der Bündelung (Bedeutet im Grunde dasselbe wie Punkt 2) 4. Ausreichend tiefe untere Grenzfrequenz Hierbei wurden Lautsprechertypen mit unterschiedlichen Bündelungsverhalten untersucht. Für das Hörergebnis war letztendlich nicht die Stärke der Bündelung entscheidend, sondern der gleichmäßige Verlauf der Bündelung. Der Frequenzgang der Lautsprecher sollte auch außerhalb der Achse möglichst gleichmäßig sein (ggf auch gleichmäßig abfallend). Nach den Ergebnissen von Floyd und Olive ist demnach ein stetig abfallender Frequenzgang durchaus akzeptabel. Allerdings zeigen wenig bündelnde Lautsprecher eine Darstellung ausgeprägtere Räumlichkeit. Dies wird zumeist klanglich bevorzugt. Optimaler Frequenzgang an der Hörposition Sollte man jetzt nicht des Equalizer nehmen und den Frequenzgang an der Hörposition wieder gerade biegen? Klare Antwort: NEIN! Diese Antwort lässt sich eindeutig aus den Untersuchungen von Sean Olive ableiten, der den klanglichen Erfolg von digitalen Raumkorrektursystemen untersucht hat. Als eindeutiger Klangsieger wurde das System ermittelt, welches an der Hörposition einen mit zunehmender Frequenz gleichmäßig abfallenden Schallpegel erzeugt. Hörsitzung und Messungen wurden in dem Harman Referenz-Hörraum durchgeführt, der zumindest zwischen 125Hz und 4000Hz eine konstante RT60 zeit von 0,4s aufweist. Der als ideale empfundene Frequenzgang an der Hörposition fällt zwischen 20Hz und 20kHz um ca. 10dB ab. Dies entspricht näherungsweise den berechneten Frequenzverläufen in Bild TT03.04 wie sie am Hörort zu erwarten sind. Die bisherigen Betrachtungen zeigen also recht schön warum ein fallender Frequenzgang an der Hörposition akzeptabel ist und warum er mit einem ebenen Frequenzgang, wie er bei einem guten Lautsprecher auf Achse gemessen wird, durchaus zusammen passt.

7 Bild TT03.06: Vergleich der Frequenzgänge an der Hörposition nach Korrektur mit unterschiedlichen Raumkorrekturgeräten. Die oberste Kurve wurde in Hörsitzungen (im Blindtest) am besten bewertet, die unterste Kurve am schlechtesten. Abfall des idealen Schallpegels zwischen 20Hz und 20kHz um rund 10 db. Aus The Subjective and Objective Evaluation of Room Correction Products, Sean E. Olive, Jhon Jackson, Allen Devantier, David Hunt, Sean M. Hess, Der typische Abfall ergibt sich also aus den Abstrahleigenschaften des Lautsprechers und den Absorptionseigenschaften des Raumes. Ein rundum abstrahlender Lautsprecher oder ein Dipol wird einen etwas geringeren typischen Frequenzabfall haben als ein stark gerichtet abstrahlendes Hornsystem. Bein Einsatz eines Equalizers sollte dieser typische Frequenzabfall also auf keinen Fall eben gezogen sondern nur entsprechend dem typischen Verlauf glatt gezogen werden (Das dies auch gar nicht so einfach ist und wie es trotzdem geht wird in einem folgenden TechTalk erörtert). Und die Lautstärke? Und wie sieht es jetzt mit der Lautstärke an der Hörposition aus? Das war ja ganz am Anfang unsere eigentliche Frage! Tja nach TechTalk No2 und No3 gibt es immer noch keine richtige Antwort. Denn jetzt ist ja deutlich, dass der Schallpegel an der Hörposition frequenzabhängig ist. Welche Frequenz oder welcher Frequenzbereich ist denn für das Lautstärkeempfinden oder die Musikwiedergabe entscheidend. Dieser Frage widmet sich TechTalk No4. Stay tuned Euer Markus Beck