Klangqualitaet von Kompressionstreibern

Eine in den einschlaegigen Foren haeufig diskutierte Frage ist die nach dem bestklingenden ‚x’ Zoll Kompressionstreiber. Der Tenor dieser Diskussionen ist stets der, dass die charakteristischen Nichtlinearitaeten eines Treibers den qualitativen Klangeindruck direkt beeinflussen, ergo ein Treiber mit geringen charakteristischen Verzerrungen de facto ‚besser klingt’. Untersuchungen zeigen, dass diese Einschaetzung statistisch nicht haltbar ist.

In dem Artikel Geddes, Lee & Magalotti (2005); „Subjective testing of compression drivers“, J. Audio Eng. Soc. 53/12 1152-1157 untersuchen die Autoren den Einfluss der linearen und nichtlinearen Verzerrungen (i.e. des Frequenzganges und des Verzerrungsverhaltens) auf die empfundene Klangqualitaet. Das AX Doppelblindexperiment kann folgendermaszen zusammengefasst werden:

- untersucht werden 3 unterschiedliche 2“ Kompressionstreiber (Titaniumkalotten mit 100mm Schwingspule, nominell 8 Ohm Impedanz, 5 fach geschlitzter Phaseplug, NdFeB Magnetantrieb)
- um die Untersuchung auf die charakteristischen Eigenschaften der Treiber zu beschraenken wird ein reflektionsfreies Impedanzrohr als Last verwendet (im Gegensatz zu einem Horn konstante akustische Impedanz am Treibermund)
- der massenbedingte Frequenzgangabfall der 3 Treiber wird mittels eines +6dB Filter korrigiert (fuer alle Treiber gleich)
- die entstehende Laufzeitverzoegerung durch Wellenleitung von der Membran zum Treibermund wird korrigiert (fuer alle Treiber gleich)
- eine monophone Musiksequenz wird digital hoch- und tiefpassgefiltert (3. Ord. BW 800Hz)
- das hochpassgefilterte Signal wird ueber jeden der 3 Kompressionstreiber wiedergegeben und mittels eines ¼“ Mikrophones direkt am Treibermund aufgezeichnet
- die Aufzeichnung fuer jeden Treiber erfolgt in 3 Schallpegelstufen (nominell 14V, 20V und 28V, i.e. 24.5W, 50W und 72W)
- die aufgezeichneten hochpassgefilterten Signale werden normalisiert, sodass die Summe aus Tief- und Hochpassignal stets die gleiche Leistungsverteilung wie das Originalsignal hat
- die monophone Wiedergabe erfolgt mittels Kopfhoerer geringer Verzerrung und linearen Frequenzganges

Es stehen 3 x 3 verschiedene Varianten der Musiksequenz zum Vergleich – 3 verschiedene Treiber (zu unterscheiden mittels ihrer linearen Charakteristik) und 3 verschiedene Schallpegelstufen, welche die unterschiedlichen nichtlinearen Verzerrungen bei steigender Eingangsleistung als auch die grundsaetzlichen nichtlinearen Charakteristiken der jeweiligen Treiber einschliessen. Die Hoerer vergleichen stets das Original X mit der bearbeiteten Version A und beurteilen die Groesse des subjektiven Unterschiedes.

Es ergeben sich folgende Schlussfolgerungen aus dem Experiment:

- es sind statistisch signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Treibern auszumachen, aber keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Schallpegelstufen der Treiber (bei gleichen Schallpegeln im Ohr lassen sich keine qualitativen Unterschiede fuer die unterschiedlichen Eingangsleistungen / nichtlinearen Verzerrungen der einzelnen Treiber feststellen)
- Unterscheidung zwischen den Treibern erfolgt demnach ueber die unterschiedlichen charkteristischen linearen Verzerrungen (Frequenzgang) und nicht ueber die charakteristischen oder eingangsleistungsbedingten nichtlinearen Verzerrungen

Fuer die Praxis bedeutet dies (nach meiner Lesart) folgendes:

- subjektive Klangunterschiede, welche eindeutig auf nichtlineare Verzerrungen zurueckgefuehrt werden koennen, entstehen ausschliesslich waehrend der Wellenleitung im Horn und in der Luft. Diese Experimente setzen voraus, dass die linearen Verzerrungen (Frequenzgang) der untersuchten Systeme am Hoerort absolut identisch sind.
- Geddes et al. zeigen, dass fuer identische Hoerner und Hoerabstaende allein die Korrektur der linearen Verzerrungen (Frequenzgang) zu subjektiven Klangunterschieden fuehren werden (technisch vergleichbare Treiber vorausgesetzt). Ergo, die genaue Korrektur des Frequenzganges ist statistisch gesichert relevant fuer die Klangqualitaet; die charakteristischen nichtlinearen Verzerrungen des Treibers sind es nicht.
- Verbesserungen der Klangqualitaet sind demnach nur zu erreichen, wenn Hoerner mit geringeren nichtlinearen Verzerrungen eingesetzt werden, und der Frequenzgang genauer korrigiert wird (beide Themen spielen in den Diskussionsforen nur eine untergeordnete Rolle, hier regiert das Substitutionsprinzip hin zum ‚besseren’ Treiber). Weiterhin ist die Reduktion des Hoerabstandes das effektiveste Mittel, klanglich relevante Verzerrungen zu reduzieren, da bei steigendem Schalldruck am Hornhals der Verzerrungsanteil durch Wellenausbreitung in der Luft den resultierend aus dem Treiber und dem Horn bei weitem uebersteigt.

Warum sind fuer 2 vergleichbare, technisch hochwertige Treiber doch deutliche Unterschiede feststellbar? Die linearen Verzerrungen jedes einzelnen Treibers sind speziell im Hochtonbereich derart charakteristisch, dass auch bei ‚gemess-fuehlt’ vergleichbaren Frequenzgaengen deutliche Unterschiede hoerbar werden. Da die linearen Unterschiede mangels sorgfaeltiger Messungen verborgen bleiben, werden die Phaenomene den nichtlinearen Verzerrungen zugeordnet.

Warum ‚verzerrt’ eine Treiber-Horn-Kombination deutlich staerker, wenn die Eingangsleistung angehoben wird? Diese offensichtliche Beobachtung der Praxis widerspricht Geddes et al.! Hier spielen die nichtlinearen Vorgaenge innerhalb des Gehoers selbst die entscheidende Rolle. Nichtlineares frequenzvariables Lautheitsempfinden, steigende Bandbreite der Cochleafilter, ansteigende lautheitsbedingte Maskierung hoher Frequenzen, etc. rufen diese Effekte hervor. Ein individuell angepasster Gehoerschutz mit einem linearen Filter sorgt fuer deutliche Verbesserung der subjektiven Klangqualitaet, obwohl die mechanisch-akustische Uebertragung, i.e. der Schalldruckpegel und die daran gekopplten Nichtlinearitaeten unveraendert bleiben. Oder: leiser klingt leichter besser!

Effekte wie Partialschwingungen der Membran, Nichtlinearitaeten des Antriebes oder Intermodulationsverzerrungen durch zu tiefe Trennung oder zu hohe Auslenkung sorgen fuer deutliche Minderung der subjektiven Klangqualitaet! Geddes et al. zeigt anschaulich, dass die charakteristischen Nichtlinearitaeten unterschiedlicher aber vergleichbarer Treiber unter identischen Einsatzbedingungen keinen Einfluss auf das subjektive Klangempfinden haben. Es kann demnach nicht ‚den’ Treiber geben, der deutlich tiefer als alle anderen getrennt oder spuerbar staerker ausgelenkt werden kann, ohne dass deutliche Klangveraenderungen hoerbar werden, solange die Konstruktionsprinzipien und Materialien nicht entsprechend verbessert wurden. Ergo, die Einsatzbedingungen, allen voran die Auslenkung, sind die entscheidenden Kriterien fuer den Entwurf der Klangcharakteristik (wird in den Foren stets prominent ignoriert, obwohl einige Protagonisten sich redlich bemuehen, dies verstaendlich zu machen).

Gruesse: Sven

P.S. Roberto Magalotti ist seit 2001 der verantwortliche Entwicklungsingenieur bei B&C Florenz. Die oben genannte Studie aussert deutliche Ueberraschung ob der Feststellung, dass der Weg zu 'besserem' Klang eben nicht ueber verzerrungsaermere Kompressionstreiber fuehrt. Die Zeiten des stumpfen Aufruestens sind lange vorbei; Planung, Messung, Analyse und Korrektur muessen absolut selbstverstaendliche Werkzeuge werden. Anderenfalls verharren Amateure und Kleinentwickler ewig auf dem technischen Niveau von vor 1975 (und auf diesem Niveau bewegen sich 99% der Diskussionen in den einschlaegigen Foren).

Berechtigter Einwand - ja die gibt es, werden aber aus Gruenden der Vertraulichkeit nicht veroeffentlicht (da eben lineare und nichtlineare Eigenschaften sehr charakteristisch fuer die Treiber sind).

Der Artikel beschreibt in jedem Fall, dass sich statistisch signifikante Unterschiede im Verzerrungsverhalten sowohl zwischen den Treibern als auch fuer verschiedene Eingangsleistungen an gleichen Treibern feststellen lassen. Die ueberraschende Erkenntnis ist, dass bei Normalisierung der Abhoerlautstaerke der Zuwachs an Verzerrungen durch gesteigerte Eingangsleistung bei keinem der Treiber signifikante Veraenderungen der Klangqualitaet hervorrief.

Zitat von "ometa"

Kann einer auch mal kurz erklären, wo der Unterschied zwischen einer linearen und einer nichtlinearen Verzerrung liegt? Für mich hört sich das beides nicht gut an.

Die Grundlagen finden sich in der Einstiegsliteratur zur Systemtheorie (manchmal 'Signale und Systeme' genannt - Pflichtlektuere fuer jeden, der an einem DCX rumdrehen moechte). Ich versuchs mal kurz runterzubrechen:

Ein lineares, zeitinvariantes System aendert zeitlich unveraenderlich lediglich die Amplitude und die Phase des zugefuehrten Signals. Die Aenderung der Amplitude und Phase ist strikt unabhaengig von der Groesse des Eingangssignals. Die Frequenzanteile des Eingangssignals werden nicht veraendert, i.e. ein Sinussignal wird als Sinus gleicher Frequenz wiedergegeben. Die Eigenschaften des linearen Systems koennen erschoepfend in der Impulsantwort (Zeitbereich) oder dem komplexen Frequenzgang (Frequenzbereich) beschrieben werden. Lineare Verzerrungen bezeichnen lediglich Abweichungen vom ideal-invarianten System, i.e. Abweichungen des Frequenzganges von der idealen Gerade, also Abweichungen der Impulsantwort von der Kronecker-Delta-Funktion (Dirac-Funktion in zeitdiskreten Systemen).

Ein nichtlineares System wie ein Lautsprecher verstoesst gegen alle diese Annahmen: die Aenderung von Amplitude und Phase ist eine Funktion des Eingangspegels (z.B. durch ansteigenden Gleichstromwiderstand der Spule). Damit aendern sich die Eigenschaften des Systems ueber die Zeit (Erwaermung und Abkuehlung sind kontinuierliche Prozesse). Ein Sinussignal wird als Gemisch verschiedener Frequenzen wiedergegeben (1kHz Eingangssignal hat stets Ober- und Untertoene, welche im originalen Signal nicht vorhanden sind, aber als Folge der Nichtlinearitaet des Systems erzeugt werden.) Nichtlineare Verzerrungen sind demnach das Auftreten von Frequenzkomponenten wie k2, k3, etc.

Zitat von "Sabbelbacke"

Interessante Ergebnisse sind z.B. die "Erkenntniss", dass "Hornsound" nicht von nichtlinearen Verzerrungen beim Einsatz eines Hornes kommt, sondern vielmehr durch ungünstige, mechanische Eigenschaften im Hornverlauf induzierte Reflexionen erzeugt wird.

Ein wenig anders ausgedrueckt: Ein Horn ist ein System mit linearen und nichtlinearen Komponenten. Die 'Reflektionen', welche durch Unstetigkeiten der akustischen Impedanzen entstehen, und sich als Resonanzen (Energiespeicherung und verzoegerte Abgabe) und Ueberhoehungen / Einbrueche im Frequenzgang bemerkbar machen, sind streng lineare Vorgaenge. Die landlaeufigen 'Verzerrungen', also die nichtlinearen Verzerrungen, sind Folge der Schallausbreitung im Horn.

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Geddes et al. zeigen sehr schoen, dass die linearen Verzerrungen einen wesentlich staerkeren Einfluss auf die subjektive Klangqualitaet haben, als die mit Leidenschaft und Kontroverse diskutierten, diffus-definierten 'Verzerrungen'. UND: mit DCX & Co. kann der Amateur diese linearen Verzerrungen sehr einfach kompensieren (darum 'Signale und Systeme'). Saubere Messungen der Einzelkomponenten, penible Korrektur der akustischen Uebertragungsfunktionen, Kompensation der Laufzeitunterschiede, Ausgleich der Gruppenlaufzeiten der Einzelwege, etc. sind ein Muss fuer jede ernstzunehmende Anwendung. Und das gilt m.E.n. auch fuer 'modulare' Fertigprodukte, deren Eigenschaften sich bei genauer Abstimmung oftmals deutlich verbessern lassen.

Zitat von "Jobsti84"

Aber wenn ich bei einem Treiber sehr hohes K3 messe, beim anderen nicht, kann ich Rückschlüsse darauf ziehen, dass der eine besser klingen wird als der andere, wobei das theoretisch auch wieder subjektiv ist.

Klingt hart, aber: Diese Ansicht ist schlicht falsch! Oben hab ich versucht zu erlaeutern, warum dies so ist.

Jobst, du Widerporst. Wenn du verschiedene, technisch vergleichbare Treiber am selben Horn betreibst, und die linearen Verzerrungen nicht individuell kompensierst, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit der Treiber am 'besten' klingen, der die geringsten linearen Verzerrungen (LV) aufweist, und nicht der mit den geringsten nichtlinearen (NLV). Sabbelbacke hat weiter oben das oft diskutierte Beispiel BMS vs. 18Sound vs. RCF vs. Beyma schoen zusammengefasst.

Ich nehme als Beispiel deine Entwicklungen - du trennst passiv, und gibst keine Controllereinstellungen zur Korrektur der linearen Verzerrungen (also des Frequenzganges) der Treiber mit an. Klar, der Bauteilaufwand und die aufwendige Laufzeitkorrektur setzen hier Grenzen des Sinnvollen. In genau diesem Fall ist es sinnvoll, nicht den Treiber mit den geringsten NLV am gegebenen Horn, sondern den mit den geringsten LV an genau diesem Horn einzusetzen! Denn das nichtlineare Verzerrungsverhalten beider Kombinationen wird groesstenteils vom Horn selbst bestimmt!

Und Verzerrungsmessungen sind ueberhaupt nicht sinnlos - wenn man sowohl Horn als auch Treiber frei waehlen kann, sollte man das Horn mit den geringsten NLV mit einem Treiber geringer LV paaren. Wenn dann noch Controlling zur Verfuegung steht, kann man Horn und Treiber nach NLV selektieren, und die LV aktiv kompensieren! Ohne diese Kompensation sind die Chancen aber sehr gross, dass die gering nichtlinear verzerrende Kombination subjektiv schlechter als eine andere klingt, da die LV den entscheidenden Einfluss ausueben.

Zudem - Verzerrungs- und Intermodulationsmessungen an Horn und Treiber fuer unterschiedliche Eingangsleistungen sind unabdingbar, wenn es gilt die moegliche untere Grenzfrequenz zu bestimmen. Dein Link auf Thomas Ahlersmeyer's Seite erklaert doch die Zusammenhaenge von Lautstaerke und Wahrnehmbarkeit von Verzerrungen recht einleuchtend.