Die natürliche Musikwiedergabe

Idealerweise sollte ein Paar Lautsprecherboxen, das stereophon Musik wiedergibt, unhörbar sein, d. h. das Musikgeschehen soll dreidimensional in den Hörraum projiziert werden und darf nicht an den Lautsprecherboxen "festkleben". Um das zu erreichen, müssen bei Mehrwegesystemen die Phasenfrequenzgänge der Einzellautsprecher für mindestens ±2 Oktaven um die Trennfrequenzen herum deckungsgleich sein, die Trennfrequenzen müssen tief genug liegen für eine homogene Schallabstrahlung mit nur einer Hauptabstrahlkeule, die Leistungsverstärker dürfen keine hörbaren Verzerrungen erzeugen, und nicht zuletzt muss die Bassdynamik ausreichen, um ein authentisches Musikerlebnis zu erzeugen.

1. Phasenparallele Aktivweiche

Die Klangqualität eines Mehrwege-Lautsprechersystems wird nicht zuerst von den Qualitäten der Einzellautsprecher bestimmt, sondern vom möglichst perfekten Zusammenspiel aller Komponenten. Schon ein preisgünstiger aber ansonsten ordentlich konstruierter Hochtöner kann hohe Töne besser wiedergeben als der teuerste Breitbandlautsprecher, und ein Tiefmitteltöner mit großem linearem Hub und verwindungssteifer Membran ist dem Breitbänder in der Basswiedergabe überlegen. Wird der Hochtöner aber unvorteilhaft an den Tiefmitteltöner angekoppelt, klingt das Zweiwegesystem "zum Weglaufen", während mit dem Breitbänder schon auf relativ hohem Niveau Musik gehört werden kann. Der Knackpunkt ist also die Frequenzweiche.

Über den bisherigen Stand der Technik für passive, aktive analoge und aktive digitale Frequenzweichen informieren diese vier pdf-Dateien:

Analog-Audio-Passive-Crossover
Analog-Audio-Active-Crossover
Digital-Audio-IIR-Crossover
Digital-Audio-FIR-Crossover

Dabei werden die akustischen Übertragungsfunktionen der Einzellautsprecher, die in erster Näherung jeweils einem Hochpass 2. Ordnung entsprechen, bereits in die Entwicklung der Frequenzweiche mit einbezogen, um "über alles" einen linearen Amplitudenfrequenzgang der akustischen Summe mit zudem möglichst flachem Phasenfrequenzgang zu realisieren. Das wird dann als "phasenlinear" oder "zeitrichtig" bezeichnet. Tatsächlich ist aber die "Phasenlinearität" (die masselose Membranen voraussetzen würde, die es nicht gibt) des Summensignals von untergeordneter Bedeutung, weil sich das Ohr einigermaßen tolerant gegenüber dem absoluten Phasenfrequenzgang der Summe verhält. Unter der einzigen Voraussetzung, dass die Phasenfrequenzgänge beider Stereokanäle identisch sind, bleibt eine stetige Phasenverschiebung bis über 1400° von 20 Hz bis 20 kHz praktisch unhörbar! Gehörmäßig umso wichtiger ist dagegen die Phasenparallelität der einzelnen Wege (also zwischen Hochtöner, Mitteltöner und Tieftöner eines Mehrwegesystems), denn auf die relative Phase zwischen den Einzellautsprechern im Übernahmebereich reagiert das Ohr außerordentlich empfindlich. Schon 10° Phasendifferenz sind bei Verwendung der besten Einzellautsprecher und der besten Leistungsverstärker als Klangverfärbung hörbar. Auf die Phasenparallelität wurde aber bisher kaum geachtet, weder bei konventionellen analogen noch bei digitalen Aktivweichen – und mit Passivweichen ist eine exakte Phasenparallelität gar nicht machbar! Darum werden für passive Mehrwegelautsprecher "weich" klingende Leistungsverstärker bevorzugt (was oftmals als "Musikalität" eines Leistungsverstärkers interpretiert wird), damit die Phasenfehler nicht ganz so unangenehm auffallen.

Nicht allein entscheidend, aber generell zuerst entscheidend für die Wiedergabequalität eines Mehrwegelautsprechers ist also die exakte Phasenparallelität der einzelnen Wege und nicht die "Phasenlinearität" der Summe. Wenn z. B. ein passiver 2-Wege-Lautsprecher mit legendärer "6dB-Weiche 1. Ordnung" (die tatsächlich keine ist, da die Einzellautsprecher selbst akustische Hochpässe 2. Ordnung sind, sodass sich im Hochton insgesamt ein verquerer Hochpass 3. Ordnung ergibt) tendenziell besser klingt als einer mit "12dB-Passivweiche 2. Ordnung" (was im Hochton tatsächlich einen verqueren Hochpass 4. Ordnung ergibt), liegt das nicht an der "linearen Phase", sondern daran, dass aufgrund des insgesamt flacheren Phasenfrequenzgangs auch die Phasenparallelität etwas besser ist. Bei unzureichender Phasenparallelität ist eine natürliche Musikwiedergabe unmöglich; der Klang ist verfärbt. Schon eine Phasendifferenz zwischen Tiefmitteltöner und Hochtöner von z. B. 16°, die im Übernahmebereich nur eine unmessbare Pegelsenke von -0,14 dB bewirkt, ist deutlich als Klangverfärbung hörbar und bei Passivsystemen übliche Phasendifferenzen von 30/40/50°, deren äquivalente Pegelsenken mit -0,5/-0,9/-1,4 dB noch immer in den Schalldruckschwankungen realer Lautsprecherchassis untergehen, verfärben den Klang erst recht. Daraus ergibt sich die Kuriosität, dass in Exponentialhörnern eingebaute Breitbandlautsprecher, selbst wenn ihr Amplitudenfrequenzgang deutlich unausgeglichener ist, noch immer natürlicher klingen als viele konventionelle Mehrwegesysteme.

In den obigen vier pdf-Dateien werden die Phasenfrequenzgänge der einzelnen Wege gar nicht gezeigt, bzw. einfach ignoriert. Die folgende Graphik zeigt die vollständige Simulation eines typischen 3-Wege-Systems mit passiver Frequenzweiche 2. Ordnung mit den Übertragungsfunktionen der Einzellautsprecher und allen Phasenfrequenzgängen:

Mit bisherigen analogen oder digitalen Aktivweichen war das kaum besser hinzukriegen; die resultierende Klangqualität war mehr oder weniger Glückssache. Je nach Art und Weise, in der die einzelnen Phasenfrequenzgänge mehr oder weniger chaotisch durcheinander laufen, ergeben sich immer wieder andere Klangverfärbungen und Verzerrungen in der räumlichen Wiedergabe, die allein am Amplitudenfrequenzgang der Summe praktisch nicht zu erkennen sind. Mit denselben Einzellautsprechern und im Rahmen der Messgenauigkeit auch jeweils identischem Amplitudenfrequenzgang lassen sich fast beliebig viele Mehrwegesysteme aufbauen, die alle unterschiedlich aber niemals natürlich klingen, weil die einzelnen Phasenfrequenzgänge immer anders aber nie exakt parallel verlaufen!

Ist dagegen die Phasenparallelität zwischen den einzelnen Wegen nicht nur grob angenähert, sondern im Rahmen der Genauigkeit aller frequenzbestimmenden Bauteile der Aktivweiche mathematisch exakt, verhalten sich Mehrwegesysteme akustisch wie "ideale Breitbandsysteme" mit vollkommen natürlicher Musikwiedergabe:

Ein solches Ergebnis konnte bisher nicht einmal simuliert werden und ist bei Audio Optimum zu hören: Die einzelnen Phasenfrequenzgänge von Tiefton, Mittelton, Hochton und akustischer Summe sind genau deckungsgleich und überhaupt nicht mehr als getrennte Linien zu erkennen. Die drei Lautsprecher arbeiten perfekt zusammen, d. h. in den Übernahmebereichen schwingen die beteiligten Membranen immer gleichzeitig auf das Musiksignal ein, sodass die Einzellautsprecher nicht mehr als solche hörbar sind, bzw. nicht mehr aus dem Klangbild hervorstechen.

Die Audio Optimum Vollaktivsysteme zeigen eine nahezu perfekte Übereinstimmung von Theorie und Praxis, d. h. erstmalig gibt es eine schlüssige Theorie für Mehrwegesysteme, nach der die resultierende Klangqualität gezielt optimiert werden kann. Bisherige "Hör- und Messorgien", mit denen in langwieriger Sisyphus-Arbeit konventionellen High-End-Systemen eine "angenehme" aber nicht unbedingt präzise Musikwiedergabe abgerungen wurde, sind für die bestmögliche Klangqualität nicht erforderlich. Auf digitale Soundprozessoren kann ebenfalls verzichtet werden. Um keinen "Digitalsound" zu produzieren und höchsten Ansprüchen zu genügen, wird die exakte Phasenparallelität mit einer analogen Linkwitz-Riley-Frequenzweiche 4. Ordnung in Kombination mit einer Allpass-Matrix 2. Ordnung und jeweils einer Linkwitz-Transformation für jeden Einzellautsprecher des Mehrwegesystems erreicht. Die Schaltung ist aufwändiger als bei konventionellen Aktivweichen, stellt aber die einfachste Möglichkeit dar, ein 3-Wege-System wirklich natürlich klingen zu lassen:

Einfachere Prinzipschaltungen ermöglichen noch keine exakte Phasenparallelität und führen somit zu hörbaren Klangverfärbungen und Verzerrungen in der räumlichen Wiedergabe. Die Lösung besteht darin, die akustischen Hochpässe 2. Ordnung der Einzellautsprecher über Linkwitz-Transformationen in die LR4-Hochpassfunktionen der Frequenzweiche sowie in die Bu6-Hochpassfunktion der Basskorrektur zu integrieren und die Phasenfrequenzgänge in den einzelnen Wegen mit einer Allpass-Matrix 2. Ordnung über Kreuz zu kompensieren und damit zur Deckung zu bringen. Die zusätzlichen, mit T-Delay und MT-Delay bezeichneten Bessel-Allpässe 2. Ordnung, die in der Simulation noch nicht dimensioniert sind, bewirken für ±2 Oktaven um die Trennfrequenzen herum eine frequenzproportionale Phasenverschiebung und damit eine frequenzunabhängige Signalverzögerung, um die akustischen Zentren der Einzellautsprecher elektronisch verschieben zu können. Die Bessel-Allpässe werden durch akustische Messung am Realsystem dimensioniert.

2. Homogene Schallabstrahlung

Die allermeisten Mehrwegelautsprecher haben noch immer eine Passivweiche und dafür gilt die einfache Regel (im Folgenden als "Hochtonregel" bezeichnet), dass ein Hochtöner mindestens eine Oktave (Faktor 2) – besser noch anderthalb bis zwei Oktaven – oberhalb seiner Eigenresonanzfrequenz eingesetzt werden sollte. Je weiter die Hochtonregel verletzt wird, umso mehr sticht der Hochtöner aus dem Klangbild hervor und fängt an, so richtig zu nerven. Das hat wenig mit einer vermuteten Überlastung zu tun, denn der Hochtöner nervt auch schon bei geringer Lautstärke. Warum und wie das zu korrigieren ist, wird gleich erklärt, aber mit den begrenzten Mitteln einer Passivweiche ist das ohnehin nicht zu ändern, die Hochtonregel muss mindestens eingehalten werden, was zu einem weiteren Problem führt: Damit der Hochtöner nicht nervt, wird in der Regel die Übernahmefrequenz so hoch gewählt, dass auf eine homogene Schallabstrahlung des Mehrwegesystems verzichtet werden muss. Einzige Ausnahme bildet ein Koaxialsystem, das aber wieder andere Probleme bereitet, denn entweder ist der koaxiale Hochtöner im Magneten des Tiefmitteltöners eingebaut, sodass dessen größere Membran als unvorteilhafter Horntrichter für die Hochtonabstrahlung wirkt, oder der koaxiale Hochtöner befindet sich auf einem Steg und damit vor dem akustischen Zentrum des Tiefmitteltöners, sodass eine Laufzeitkorrektur erforderlich wird, die passiv kaum zu realisieren ist. Ordentliche Koaxialsysteme, die auch mit einer Passivweiche einigermaßen funktionieren, finden sich ganz selten, und so wird der Hochtöner meist über dem Tiefmitteltöner in die Schallwand gesetzt. Für eine homogene Schallabstrahlung muss dann die zur Übernahmefrequenz äquivalente Schallwellenlänge mindestens 1,5-mal so groß sein wie die Entfernung der Mittelpunkte von Tiefmittelton- und Hochtonmembran. Das ist aber kaum zu erfüllen, wenn auch die Hochtonregel mindestens eingehalten werden muss. Z. B. darf bei einem typischen 2-Wege-System, bestehend aus 18cm-Tiefmitteltöner und Hochtöner mit 10cm-Frontplatte, die Übernahmefrequenz nicht wesentlich über 1,5 kHz liegen, sonst gibt es keine homogene Abstrahlung (nur eine Hauptabstrahlkeule), sondern es bilden sich durch Interferenz im Übernahmebereich drei Abstrahlkeulen, wobei die erste auf den Boden, die zweite wie gewünscht nach vorn und die dritte mindestens so unerwünscht wie die erste gegen die Decke strahlt. Bei der oft für ein typisches 2-Wege-System gewählten Übernahmefrequenz von 2,5 kHz ist die unerwünschte Schallabstrahlung im Übernahmebereich – in dem das Ohr besonders empfindlich ist – bereits deutlich energiereicher als die gewünschte.

Die Hochtonregel ergibt sich daraus, dass ein Hochtöner wie jeder Hochpass 2. Ordnung die Phase im Bereich der Resonanzfrequenz f0 um 180° dreht. Weit unterhalb von f0 ist die Phase +180°, bei f0 beträgt sie genau +90°, und erst weit über f0 geht die Phase gegen 0°. Die Steilheit des Übergangs von +180° zu 0° wird durch den Gütefaktor Qtc bestimmt. Wird der Hochtöner zu nah an seiner Eigenresonanzfrequenz betrieben, stimmt die Phasenlage zwischen Tiefmitteltöner und Hochtöner überhaupt nicht mehr, es kommt zu einer Auslöschung am unteren Ende des Übernahmebereichs und somit sticht der Hochtöner gehörmäßig unangenehm aus dem Klangbild hervor. Das tut er über eine Passivweiche betrieben im Grunde immer, nur jeweils mehr oder weniger unangenehm. Da hilft es auch nicht, den Hochtöner gegenüber dem Tiefmitteltöner nach hinten zu schieben (abgestufte Schallwand), denn die Phasenverschiebungen aufgrund eines mechanischen Versatzes der akustischen Zentren der Einzellautsprecher, die Phasendrehungen der Frequenzweiche und die Phasendrehungen der Lautsprecher aufgrund ihres Masse-Feder-Systems und sind drei verschiedene Paar Schuhe. Die drei Ursachen für eine unzureichende Phasenparallelität lassen sich nicht gegenseitig, sondern nur jede einzelne für sich kompensieren – und das vollständig nur mit der hier beschriebenen phasenparallelen Aktivweiche!

3. SINCOS-Vollbrückenendstufe

Der Sinus-Cosinus-Modulator (US Patent 9,287,826) kommt dem idealen Audioverstärker näher als jedes andere bekannte Schaltungsprinzip. Als selbstschwingende PWM- (Puls Wide Modulation) Verstärker mit einer vom Modulationsgrad unabhängigen Schaltfrequenz sind die exklusiv von Audio Optimum eingesetzten SINCOS®-Vollbrückenendstufen allen klassischen analogen Leistungsverstärkern, ob mit Transistoren oder Röhren aufgebaut, prinzipiell überlegen. Es entstehen keine nennenswerten Wärmeverluste und bis zur Maximalleistung auch keine hörbaren Verzerrungen. Die angetriebenen Lautsprecher haben keine Chance, ein Eigenleben zu entwickeln, weil die PWM-Vollbrückenendstufen die in der Schwingspule induzierte Gegen-EMK kontrolliert in die Betriebsspannung zurückspeisen. Im Unterschied zu verlustbehafteten Class-A- oder Class-AB-Verstärkern, die bei hoher Lautstärke "angestrengt" klingen, können SINCOS®-Verstärker feinste musikalische Details hörbar machen und dabei noch völlig mühelos auch extreme Lautstärkepegel reproduzieren, weil die ultraschnell schaltenden Leistungstransistoren mit minimalem Einschaltwiderstand die Last, egal wie komplex, gar nicht merken.

Werden Mehrwegelautsprecher mit unzureichender Phasenparallelität über hochauflösende SINCOS®-Vollbrückenendstufen betrieben, werden die Phasenfehler deutlich hörbar. Die klangliche "Härte" entsteht gerade beim Betrieb an einem maximal linearen Verstärker! Damit eine passive Mehrwege-Lautsprecherbox "angenehm" klingt, kann sie über einen nichtlinearen "weichen" Verstärker betrieben werden, dessen harmonische Klirrkomponente K2 relativ zu den höheren und unharmonischen Klirrkomponenten überwiegt. Je nach spektraler Verteilung der Klirrkomponenten ändert sich die "Weichheit" des Klangs, was in Verbindung mit den spezifischen Phasenfehlern konventioneller Mehrwege-Lautsprecherboxen den jeweiligen "Charakter" einer passiven Verstärker-Lautsprecher-Kombination ausmacht. Was das mit "High-End" zu tun hat, bleibt fraglich, aber es ist damit die Frage beantwortet, warum Studiomonitore und Hifi-Lautsprecherboxen in verschiedene Richtungen entwickelt wurden, obwohl sie doch beide das Gleiche tun sollen, nämlich Musik – und beim Filmton auch Sprache und Geräusche – möglichst authentisch wiederzugeben.

Ein klassischer Studiomonitor soll analytisch und neutral sein (damit der Toningenieur hört, was er produziert) und wird vorwiegend messtechnisch/theoretisch entwickelt, während ein klassischer Hifi-Lautsprecher angenehm und interessant sein soll (damit er nicht "zum Weglaufen" klingt) und darum gehörmäßig/praktisch (bzw. vorwiegend empirisch) entwickelt wird. Für einen Toningenieur ist ein konventioneller Hifi-Lautsprecher "ungenau" und "schönfärberisch", während der Hifi-Enthusiast einen konventionellen Studiomonitor als "unmusikalisch" und "eher langweilig" empfindet. In beiden Fällen ist die Ursache eine unzureichende Phasenparallelität und die damit verbundene Diskrepanz zwischen der theoretischen und der praktischen Entwicklung von konventionellen Mehrwegelautsprechern, wobei Ausnahmen wie immer die Regel bestätigen.

Ganz anders verhält es sich bei Anwendung der phasenparallelen Aktivweiche. Jetzt können mit verschiedenen Aufnahmen (Musik und Filmton) die Qualitäten der verwendeten Einzellautsprecher und der Leistungsverstärker gehörmäßig richtig beurteilt werden und umgekehrt ist mit den besten Einzellautsprechern und Leistungsverstärkern die wahre Aufnahmequalität zu hören.

4. Aktiv gefiltertes Bassreflexsystem 6. Ordnung

Wer die kompakte Audio Optimum MS-8 mit nur 24,5 Liter Nettovolumen gehört hat, muss sich fragen, mit welcher Berechtigung es überhaupt noch große Standlautsprecherboxen gibt, und in nicht allzu großen Räumen kann man sich diese Frage bereits bei der ultrakompakten MS8E mit nur 14,5 Liter Nettovolumen stellen. In beiden Fällen kommt ein aktiv gefiltertes Bassreflexsystem 6. Ordnung zum Einsatz, das effektivste und bei geschickter Abstimmung auch das präziseste Verfahren zur Tiefbasserzeugung.

In der Kombination ermöglichen die phasenparallele Aktivweiche, der SINCOS®-Verstärker und das aktiv gefilterte Bassreflexsystem 6. Ordnung erstmals die natürliche Musikwiedergabe, und das schon bei einer Baugröße, die in jedem Tonstudio Platz findet und sich auf dem passenden Acrylglasständer in jedes moderne Wohnzimmer integrieren lässt. Bei größtmöglicher Übereinstimmung von Theorie und Praxis garantieren die Audio Optimum Vollaktivsysteme sowohl eine bisher unerreichte Analytik und Neutralität im Tonstudio als auch im Wohnzimmer ein ganz neues audiophiles Klangerlebnis.