Symmetrische Frequenzweiche

Diese Technologie setzen wir bei allen unseren Lautsprechern ein. Bei der symmetrischen Frequenzweiche sitzt der Lautsprecher mit seinem Minuspol nicht wie üblich direkt auf der Masse sondern wird durch Bauteile (Tiefpass) von der Masse des Systems entkoppelt. Dadurch erreicht man eine stark verringerte Rückwirkung auf den Verstärker. Alle unsere Lautsprecher können somit von unterschiedlichen Verstärkerfabrikaten leicht betrieben werden. Die klanglichen Vorteile dieses Konzepts äußern sich in einer sehr fein aufgelösten Mitten und höherer Sprachverständlichkeit.

Im Bild erkennt man sehr schön den Aufbau eines symmetrischen Filters erster Ordnung. Man benötigt zwei Spulen, die jemals den halben Wert der einen haben. Dieses Prinzip wenden wir auf alle unseren Frequenzweichen an.

Steilflankige Filter

Passive Lautsprecher arbeiten in der analogen Welt und haben keine Spannungsversorgung. Das zentrale Element einer passiven Lautsprecherbox mit mehreren Wegen ist die Frequenzweiche. Sie ordnet den einzelnen Wegen ihre Frequenzen zu. Dies geschieht über eine mehr oder weniger komplexe Schaltung aus Spulen (Induktivität), Kondensatoren (Kapazität) und Widerständen (Ohmscher Widerstand). Eine Spule sperrt hohe Frequenzen, arbeitet also als Tiefpass und ein Kondensator blockt tiefe Frequenzen, arbeitet also als Hochpass. Ein Widerstand reduziert den Schalldruckpegel eines einzelnen Lautsprecherchassis, arbeitet aber bei allen Frequenzen gleich stark.

Wenn ein analoger, passiver Tiefpass eine Grenzfrequenz von 200 Hz besitzt, heißt das aber nicht, dass er ab 200 Hz alle höheren Frequenzen vollständig abschneidet sondern, dass er damit anfängt höhere Frequenzen ab 200 Hz immer stärker zu unterdrücken. Ein Tiefpass 1. Ordnung sperrt zum Beispiel mit 6 dB/Oktave. Wenn man bedenkt, dass 10 dB weniger immer noch halbe Lautstärke bedeutet, merkt man, dass ein solcher Tieftöner noch weit in den Mitten- bis Hochtonbereich hineinspielt.

Dagegen helfen Filter höherer Ordnung, die mit jeder Ordnung mehr 6 dB/Oktave steiler dämpfen. Ein Tiefpass 3. Ordnung dämpft mit 18 dB/Oktave benötigt dazu aber auch 3 Bauteile.

Was sind die Vorteile von steilflankigen Filtern?

1. Bei flachen Filtern spielen in jedem Frequenzbereich mehrere Chassis gleichzeitig. Da die einzelnen Chassis völlig anders gebaut sind, oftmals verschiedene Membranmaterialen und vollkommen unterschiedliche Größe haben führt das zu:
a. Frequenzgangfehlern, also falscher tonaler Wiedergabe
b. Bündelungseffekten, verschobener Abstrahlcharakteristik
c. Phasenfehlern, die sich in undefinierter räumlicher Abbildung äußern
d. Und Impulsfehlern, die die Musik fad, undynamisch und belanglos klingen lassen
e. Starken Verzerrungen bei höherer Lautstärke, die sehr unangenehm klingen
f. Zudem ist die Belastbarkeit der einzelnen Chassis elektrisch und auch mechanisch geringer, da sie Frequenzen abstrahlen müssen, für die sie nicht konstruiert sind

2. Da die einzelnen Chassis sehr viel höheren elektrischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt werden, müssen diese dafür konzipiert und konstruiert werden. Da ein Mitteltöner aber grundsätzlich andere Bedingungen als ein Tieftöner erfüllen muss, kann bei flachen Filtern immer nur ein Kompromiss-Chassis eingesetzt werden, das weder Tieftöner noch Mitteltöner ist. Die perfekte Musikwiedergabe ist dadurch mehr oder weniger ausgeschlossen, zumindest aber stark limitiert.
Alle diese Nachteile können durch steilflankige Filter vermieden werden. Was sind die Nachteile von steilflankigen Filtern?
a. Sie benötigen mehr Bauteile und sind dadurch wesentlich teurer
b. Deren Berechnung ist sehr viel komplizierter und erfordert ausgeklügelte mathematische Kenntnisse und Berechnungsmöglichkeiten
c. Die Gruppenlaufzeit also die Zeit, die ein Signal benötigt, um das Filter zu durchlaufen wird etwas größer. Das muss der Konstrukteur nach Möglichkeit berücksichtigen, aber die Verzögerungen sind im allgemeinen an der Hörbarkeitsschwelle, so dass sie nicht ins Gewicht fallen.

Unsere Lautsprecher arbeiten alle mit Steilheiten von 50 dB/Oktave und mehr. Dadurch werden alle oben beschriebenen Nachteile von flachen Filtern vermieden und wir können echte Spezialisten bei den Chassis bauen. Ein immenser Vorteil. Und deshalb klingen unsere Lautsprecher auch so offen, klar, räumlich und sie verfügen über eine breite Hörzone, so dass Sie im ganzen Raum über ein tolles, ausgewogenes Klangbild verfügen.

Warum bauen wir Mehrwege-Lautsprecher?

Das menschliche Hörvermögen reicht von 16 Hz bis ungefähr 16.000 Hz (im jugendlichen Alter), also über 10 Oktaven – eine enorme Bandbreite, wenn man bedenkt, dass das Auge nur 1 Oktave kann. Dementsprechend schwierig ist es auch für einen einzelnen Lautsprecher diese große Bandbreite wiederzugeben.

Im Bass benötigen wir große, schwere Membranen mit kleinen Magneten, im Mittelton leichte, viel kleinere Membranen mit starkem Antrieb und im Hochtonbereich sehr kleine, extrem leichte Membranen mit einem möglichst starken Antrieb. Dies alles folgt aus den Gesetzen der Mechanik, der Festigkeitslehre und nicht zuletzt der Akustik.

Sie sehen schon, all diese Anforderungen unter einen Hut zu bringen ist unmöglich. Man muss hier unbedingt Kompromisse eingehen. Ein erster Kompromiss ist, die 10 Oktaven auf zwei Lautsprecherchassis aufzuteilen. Dementsprechend vielfältig sind solche Konstruktionen, da die Größenverhältnisse der einzelnen Chassis doch stark variieren können. Bei der klassischen Drei-Wege-Box teilen sich drei Spezialisten die 10 Oktaven auf, was schon eine deutliche Verbesserung bringen kann. Ebenso gilt das für Vierwege-Lautsprecherboxen. Fünf-Wege-Lautsprecher sind äußerst selten und bieten dann kaum mehr Vorteile.

Die Frequenzweiche
Wie realisiert man nun diese Mehrwege-Lautsprecherboxen?

Damit den einzelnen Spezialisten ihre jeweiligen Frequenzen richtig zugeordnet werden, benötigt man eine Frequenzweiche. Eine Frequenzweiche ist eine Schaltung aus Spulen (Induktivität), Kondensatoren (Kapazität) und Ohmschen Widerständen, die nach bestimmten Regeln zusammengeschaltet werden und dann sogenannte, Tiefpässe (lassen nur tiefe Frequenzen durch), Hochpässe (lassen nur hohe Frequenzen durch) und Bandpässe (lassen nur mittlere Frequenzen durch) bilden.

Leider sind diese Tief-, Hoch- und Bandpässe, die man auch analoge, elektrische Filter nennt, nicht unendlich steil, so dass auch noch tiefere und höhere Frequenzen passieren können, dabei allerdings immer mehr abgeschwächt werden. Bei den einfachsten Filterschaltungen arbeiten sie mit einer Steilheit von 6 dB/Oktave: bei jeder Frequenzverdoppelung oder Halbierung wird der Schalldruckpegel um 6 dB leiser. 10 dB entsprechen einer Halbierung der Lautstärke. Allerdings haben Untersuchungen gezeigt, dass man Töne von -40 dB noch gut wahrnehmen kann. Wenn man also einen Tieftöner bei 400 Hz mit einem Filter 1. Ordnung herausnimmt, dann bedeutet das, dass der Basslautsprecher bei 400 Hz 3 dB leiser ist und ab 400 Hz jetzt mit 6 dB/Oktave herausgeht. Bei 3200 Hz (3 Oktaven) ist er also erst um 18 dB leiser, was ungefähr einem Viertel der Lautstärke entspricht. Er spielt also noch gut mit und überlagert sich dem Signal des Mitteltöners. Bei 400 Hz sind beide gleich laut.

Dasselbe spielt sich bei 3.200 Hz ab, wo der Hochtöner im Allgemeinen die Musikabstrahlung übernimmt. Bei 3.200 Hz sind Mitteltöner und Hochtöner gleich laut und der Mitteltöner fällt mit 6 dB/Oktave ab. Bei 12.800 Hz ist der Mitteltöner also etwa um 12 dB leiser, was etwas mehr als der halben Lautstärke entspricht. Da die Mitteltonmembranen schwerer und größer sind als die Hochtonmembranen, stellen viele Mitteltöner die Schallabstrahlung bei 7.000 – 8.000 Hz von selbst langsam ein. Aber eines ist klar: gerade im Bereich von 3.400 Hz aufwärts werden die Wellenlängen kleiner als 10 cm und wenn dann zwei Lautsprecherchassis dasselbe Signal abstrahlen, interferieren beide Signale sehr stark und verfälschen somit das eigentliche Originalsignal. Das kann nicht gut sein. Man verliert die räumliche Information und auch die zeitliche Impulsinformation. Dadurch dass sich jetzt die Einsätze der einzelnen Musiker verschleifen verliert die Musik ihren Drive und Knackigkeit. Und das macht Musik doch gerade aus!

Was gibt es hierzu nun für eine Lösung? Also entweder begnügt man sich mit einem Breitbänder (was nun wirklich sehr schlecht ist), man akzeptiert das Fehlverhalten (6-dB-Weichen) oder man verwendet Frequenzweichen, die sehr viel steiler trennen, etwa mit 12 dB oder 18 dB.

Wir bei Gauder Akustik gehen da noch einen großen Schritt weiter. Wir haben ein Verfahren entwickelt bei dem die Steilheit unserer Frequenzweichenfilter mehr als 50 dB/Oktave haben! Nach weniger als einer Oktave sind unsere Einzelchassis bereits überhaupt nicht mehr zu hören! Der Überlapp ist also sehr gering, so dass jedes Chassis nur die Frequenzen abstrahlt die es wirklich kann. Die Interferenzeffekte sind minimiert. Das Impulsverhalten ist nahezu optimal (was die Fachpresse bei jedem Test bestätigt) und die räumliche Abbildung bleibt stabil und groß. Bei unseren Lautsprechern müssen also nicht zwangsweise genau in der Mitte sitzen! Und natürlich ist auch die elektrische Belastbarkeit höher, was die Lebensdauer der Einzelchassis dramatisch erhöht (u. a. deshalb geben wir Ihnen 10 Jahre volle Garantie bei Registrierung).

Allerdings besitzen unsere Frequenzweich durch die komplexe Beschaltung deutlich mehr als die Konkurrenzprodukte z.B. 64 Bauteile bei unserer Drei-Wege-Box DARC 200), was sie größer und viel teurer macht. Zudem müssen wir selektierte, qualitativ teure Bauteile verwenden, damit die Schaltungen auch exakt funktionieren. All dies führt zu einem nicht unerheblichen Kostenfaktor, den wir aber selbst für die Arcona 40 akzeptieren, um klanglich einen Meilenstein in jeder Klasse zu setzen.

Welche Nachteile gibt es bei Weichen höherer Ordnung?

Die Gruppenlaufzeit, die Zeit also, die ein elektrisches Signal braucht um durch die Weiche zu laufen, vergrößert sich leicht. Dieser Effekt ist aber viel kleiner als Musikinstrumente brauchen um einzuschwingen, dennoch korrigieren wir auch diesen Nachteil durch unsere TDC-Technologie.

Sie sehen also, dass eine aufwendige durchdachte Frequenzweiche das entscheidendste Bauteil eines Mehrwegelautsprechers ist. Deshalb verwenden wir auch so große Mühe und Zeit darauf!