Ein gut konstruierter kleiner Standlautsprecher mit einem ausgeglichenen und gutmütigen Verhalten

Alle unsere Messungen werden mit dem PC-basierten Messsystem „Monkey Forest“ mit einer Auflösung von 1 Hz oder kleiner bei einer Abtastrate von 96 kHz durchgeführt. Als Messmikrofon wird eine B&K-Kondensatorkapsel vom Typ 4939 mit ¼ Zoll Durchmesser eingesetzt sowie ein Impedanzwandler vom Typ 2670. Zusammen mit einer Kompensationsdatei erlaubt diese Kombination präzise Messungen bis 40 kHz. Die Signale des Messmikrofons werden mit einem B&K-Messverstärker, Typ 2610 verstärkt, bevor sie von einem hochpräzisen 24 bit/96 kHz-Messfrontend für die Messsoftware zugänglich gemacht werden. Auf der Ausgangsseite stehen für passive Lautsprecher zwei kleine 20-Watt- Messverstärker bei der Standardmessung zur Verfügung. Wenn es einmal ernst wird und Bedarf nach viel Leistung besteht, kommen eine Crown Reference I oder eine Crown I-T12000 HD zum Einsatz. Aktive Lautsprecher werden direkt aus dem Messfrontend mit einem Line-Pegel-Signal analog symmetrisch angesteuert.
Der Messraum ist als reflexionsarmer Halbraum mit einem absolut schallharten Granitboden aufgebaut und ermöglicht Freifeldbedingungen ab ca. 100 Hz aufwärts. Das Messmikrofon wird immer auf dem Boden platziert, sodass es für das Mikrofon keine sichtbaren Reflexionen von der Bodenfläche gibt. Messungen für den Frequenzbereich unterhalb von 100 Hz werden als Nahfeldmessungen direkt vor den Quellen durchgeführt und später in der Software mit der Fernfeldmessung automatisch kombiniert. Die Messentfernung sollte einer typischen Hördistanz entsprechen und kann maximal 8 m betragen. Kleine Lautsprecher werden meist in 2 m Entfernung, größere in 4 m oder 8 m Entfernung gemessen.

Elektrische Impedanz

Bei Dynaudio legt man seit jeher einen gewissen Wert auf die elektrische Impedanz des Lautsprechers. Warum, so könnte man fragen, hat das denn überhaupt etwas mit dem Klang des Lautsprechers zu tun? Die Impedanz des Lautsprechers ist als solche für den Anwender zunächst einmal weder sicht- noch hörbar und tritt lediglich als elektrischer Anschlusswert gegenüber dem treibenden Verstärker auf. Wäre dieser perfekt, dann wäre die Impedanz in der Tat weniger wichtig. Da ein Verstärker aber neben einer idealen Spannungsquelle auch immer noch einen Innenwiderstand besitzt und mit diversen Limitierungen bezüglich der maximalen Ausgangsspannung und dem maximalen Ausgangsstrom zu tun hat, stellt sich die Lage etwas komplizierter dar. Auch wenn die Impedanz eines Lautsprechers als einfacher Einzahlparameter angegeben wird (z. B. 4 ? oder 8 ?), ist das lediglich ein Mindestwert, der nach DIN 60268-5 bei keiner Frequenz um mehr als 20 % unterschritten werden sollte. Hier ist schon der erste Hinweis darauf zu erkennen, dass die Impedanz nicht konstant, sondern abhängig von der Frequenz ist. Schaut man sich dazu einmal die Kurven aus Abbildung 1 mit dem Impedanzverlauf der Focus 260 an, dann wird sofort klar, was gemeint ist. Betrag und Phase der Impedanz, die ein komplexer Wert ist, zeigen eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Frequenz. Der Betrag (rote Kurve) schwankt zwischen dem „normgerechten“ Minimum von 3,8 ? bis zum Maximum von 15 ?. Auch die Phase schwankt in einem gewissen Rahmen von ca. ± 30°. Ist die Phase null, dann ist die Impedanz dort rein reell, entspricht also einer echten ohmschen Last. Ist die Phase positiv, dann hat die Impedanz einen induktiven Anteil (Spule), und ist die Phase negativ, dann hat die Impedanz einen kapazitiven Anteil (Kondensator). Der Extremfall wäre eine Phase von + 90° oder – 90°, was einer reinen Induktivität oder Kapazität gleichkommt.
Was bedeutet das nun alles für den Verstärker? Dieser hat mit einer ausgeprägt frequenzabhängigen Belastung zu tun, was deutlich schwieriger ist, als rein ohmsche Lasten anzutreiben. Sobald Strom und Spannung nicht mehr in Phase sind, wird es für den Verstärker unangenehm. Verzerrung und Verluste nehmen zu, und Schutzschaltungen zur Strombegrenzung müssen früher eingreifen, um die Halbleiter im sicheren Arbeitsbereich (SOA = Safe Operation Area) zu halten. Vermeiden lässt sich die Frequenzabhängigkeit der Impedanz jedoch nicht, da zum einen die Treiber selber eine frequenzabhängige Impedanz aufweisen und noch die Bauteile der Frequenzweiche mit diversen Kapazitäten und Induktivitäten hinzukommen. Es besteht aber die Möglichkeit, besonders heftige Auswüchse in der Impedanzkurve, vor allem was die Phasenlage betrifft, durch weitere Bauteile in der Weiche zu kompensieren. Wird z. B. die Impedanz stark kapazitiv, lässt sich das durch eine zusätzliche parallel geschaltete Spulen-Widerstands-Kombination kompensieren. Dieses Verfahren ist aus der Elektrotechnik wohlbekannt, wo große induktive Lasten im Stromnetz, z. B. Motoren, durch Kondensatoren kompensiert werden, um Blindströme, die erhöhte Verluste erzeugen, im Netz zu vermeiden.
Steht der Impedanzverlauf fest, gilt es noch, diesen zu bewerten. Die Kurven für die Focus 260 weisen unterhalb von 100 Hz zwei Höcker auf, die typisch für ein Bassreflexgehäuse sind und in der Regel auch nicht kompensiert werden, da der Aufwand unverhältnismäßig wäre. Oberhalb von 100 Hz spielt sich dann alles zwischen 3,8 und 7,7 ? ab. Die Phase liegt hier zwischen – 25° und + 20°, was alles in allem ein sehr gutmütiger Verlauf ist. Für den Verstärker ist die Focus 260 somit eine „einfache“ Aufgabe, mit der auch sensible Modelle gut klarkommen dürften.

Frequenz- und Phasengang

Wenden wir uns nun der akustischen Seite zu. Hier gibt es auch wieder eine komplexe Größe, nämlich den Amplituden- und Phasengang. Meist wird vom Schalldruckfrequenzgang nur die Amplitude abgebildet, die gemeinhin als „Frequenzgang“ bezeichnet wird. Der Frequenzgang der Focus 260 ist in der roten Kurve in Abbildung 2 dargestellt; die anderen Kurven in derselben Abbildung zeigen die Nahfeldmessungen an den beiden Tieftonmembranen und am Bassreflextunnel sowie in Blau deren Summenfunktion. Bei 30 Hz zeigen die Membrankurven einen scharfen Einbruch. Hier arbeitet der Bassreflexresonator auf seiner Resonanzfrequenz und bedämpft die Membranbewegung stark. Die grüne Kurve wurde an der Bassreflexöffnung gemessen, wo man neben der gewollten Abstrahlung im Bassbereich unterhalb von 100 Hz auch noch einige Artefakte sieht, so z. B. bei 600 Hz, wo eine Gehäuseinnenraum-Resonanz durch den Tunnel nach außen dringt. Ganz vermeiden lässt sich so etwas nicht, vor allem bei Zweiwege-Systemen, wo der Tieftöner noch weit bis in den Mittenbereich hin betrieben wird und solche Resonanzen dann relevant werden. Bei der Focus 260 liegt die 600-Hz- Resonanz schon 15 dB unter der eigentlichen Bassreflexresonanz und noch viel weiter unter dem Pegel der Membranen, sodass sie in der Summenfunktion kaum noch auffällt.
Insgesamt verläuft der Frequenzgang schön gleichmäßig mit einer Welligkeit von maximal 6 dB zwischen 100 Hz und 10 kHz. Bei 2 kHz gibt es einen leichten und unter Umständen auch gewollten Einbruch. Bei 466 Hz und 649 Hz schauen dann noch zwei kleine Gehäuseresonanzen hervor, die sich auch im ansonsten makellosen Spektrogramm (Abbildung 5) zu erkennen geben. Die Sensitivity der Focus 260 liegt im Mittel zwischen 100 Hz und 10 kHz bei 83,8 dB, was für einen Lautsprecher dieser Bauart ein üblicher Wert ist. Dies bedeutet für die Auswahl des Verstärkers, dass er ruhig etwas kräftiger sein darf. Die obere und untere Eckfrequenz (– 6 dB), bezogen auf die 83,8 dB, liegt jeweils bei 35 Hz und 23 kHz. Was will man mehr?
Vergleicht man die gemessene Sensitivity mit der Herstellerangabe von 87 dB, scheint es auf den ersten Blick eine Ungereimtheit zu geben, die sich aber schnell aufklärt, wenn man weiß, dass Dynaudio den Wert bei 2,83 V misst und unsere Angabe sich auf 2 V entsprechend 1 W an der 4-?-Nennimpedanz beziehen, was einen Unterschied von 3 dB ausmacht.
Neben der Amplitude gibt es im Frequenzgang noch die schon erwähnte Phase; sie wird in Abbildung 3 dargestellt. Die im Amplitudengang auftretenden kleinen Spitzen sind auch hier als kleine Unstetigkeiten zu erkennen. Im Gesamtverlauf betrachtet, nähert sich der Phasengang der Focus 260 gut dem Ideal einer über den gesamten Frequenzbereich gleichmäßig fallenden Phase an. Entscheidend ist hier vor allem das weitgehend gleichmäßige Gefälle (die Steilheit der Kurve). Alternativ zur Darstellung der Amplitude und Phase im Frequenzbereich lässt sich auch im Zeitbereich die Impulsantwort und daraus via Integration abgeleitet die Sprungantwort (Abbildung 4) zeigen. Der Informationsgehalt ist in allen drei Fällen der gleiche, nur die Darstellung unterscheidet sich.

Isobaren

Wie das Abstrahlverhalten eines Lautsprechers ausfällt, hängt primär von der Größe und Anordnung der Treiber ab. Eine große Membran bündelt stärker bzw. beginnt bereits bei tieferen Frequenzen zu bündeln als eine kleine. Zwei Membranen, die das gleiche Signal abstrahlen und nahe beisammen liegen, wirken im Frequenzbereich, wo die Wellenlänge noch größer oder ähnlich der Membrangrößenordnungen ist, als ein Strahler. Sind beide Membranen übereinander angeordnet, so entsteht daraus in der Vertikalen eine verstärkte Bündelung. Beim Übergang vom Tieftöner zum Hochtöner kommt es vor allem bei Zweiwege- Systemen gerne zu einer Sprungstelle im Abstrahlverhalten, da die Wiedergabe hier von der großen Tieftonmembran zur kleinen Hochtonmembran übergeht. Eine Sprungstelle in den Isobarenkurven mit einer plötzlichen Aufweitung des Abstrahlverhaltens führt jedoch zu einer ungleichmäßigen Anregung des Raumes und zu einem sprunghaften Anstieg der seitlichen Reflexionen, was man möglichst vermeiden möchte. Die Kunst des Lautsprecherbaus liegt also darin, die Frequenzweiche so auszulegen, dass durch einen gleitenden Übergang eine solche Sprungstelle möglichst vermieden wird. Die horizontalen Isobaren der Focus 260 zeigen hier, dass genau dies gut gelungen ist. Unabhängig davon sieht man noch die Sprungstelle bei 700 Hz, bestimmt durch die Gehäusebreite und eine generelle Einschnürung bei den ganz hohen Frequenzen, wo auch eine 28-mm- Kalotte irgendwann groß in Relation zur Wellenlänge wird. (Bei 10 kHz beträgt die Wellenlänge nur noch 34 mm.) In der Vertikalen stellt sich die Lage noch etwas anders dar, da hier zum einen der Übergang von der Doppelanordnung der Tieftöner auf die kleine Kalotte erfolgt und auch noch winkelabhängige Laufzeitunterschiede zwischen den beiden Wegen dazukommen, die es in der Horizontalen nicht gibt. In den Mitten entsteht daher eine verschärfte Bündelung mit zusätzlichen Interferenzeffekten durch die Laufzeitunterschiede, wodurch ein insgesamt unruhiges Isobarenbild entsteht. Generell ist jedoch ein engeres Abstrahlverhalten in der Vertikalen durchaus wünschenswert, da so auch störende Reflexionen von Boden und Decke verringert werden. In der Horizontalen wünscht man sich dagegen eher ein breites Abstrahlverhalten, um eine gewisse Bewegungsfreiheit in der Hörposition zu haben.

Maximalpegel und Verzerrungen

Die erste der beiden Verzerrungsmessungen betrifft die harmonischen Verzerrungen, die mit einzelnen Sinussignalen bestimmt werden. Abbildung 9 zeigt, welchen Pegel die Focus 260 erreichen kann, wenn man höchstens 3 % oder 10 % Verzerrungen zulässt. Parallel dazu gibt es bei dieser Messung noch ein Leistungslimit, das nicht überschritten wird, um den Lautsprecher thermisch nicht zu zerstören. Dieses Limit wurde hier auf 125 W RMS gesetzt.
Die rote Kurve für maximal 3 % Verzerrungen liegt bei knappen 105 dB. Die untere grüne Kurve zeigt die Sensitivity der Box für 1 W und die obere grüne Kurve den daraus rechnerisch ermittelten Wert für 125 W (+ 21 dB), mit dem sich die gemessene 3 %-Kurve in weiten Bereichen deckt. Erst bei tieferen Frequenzen beginnen die beiden Kurven ein wenig auseinanderzulaufen. Hier kommt dann erst die blaue Kurve für maximal 10 % Verzerrungen an die rechnerischen Werte heran. Insgesamt fällt das Ergebnis damit sehr gut aus. Die Focus 260 erreicht bei beachtlichen 125 W Leistung fast durchgängig den rechnerisch möglichen Maximalpegel und überschreitet dabei nicht die 3 %-Verzerrungsgrenze.
Ein zweite Messung befasst sich mit den Intermodulationsverzerrungen. Hier wird ein Rauschen, bestehend aus 60 Sinussignalen, mit einer musikähnlichen spektralen Zusammensetzung und einem Crestfaktor (Verhältnis vom Spitzenwert zum Mittelwert eines Signals) von 12 dB auf den Lautsprecher gegeben, um zu prüfen, welche nicht zum Anregungssignal gehörigen neuen Intermodulationskomponenten entstehen. Das Signal wird dafür auf einen Mittelungspegel von 85 dBA in einer typischen Hörentfernung (hier 2 m und 4 m) eingestellt. 85 dBA in 4 m Entfernung entsprechen einem Wert von 97 dBA in 1 m Entfernung (entsprechend ca. 101 dBZ), die der Lautsprecher bei einer Leistung von ca. 50 W erreicht. Dieser Leistungswert ist das RMS-Mittel. Der Peakwert liegt dann schon, dem Crestfaktor von 12 dB entsprechend, bei 800 W, was wieder einmal erkennen lässt, wie wichtig hohe Peakleistungen bei Verstärkern sind.
Die bei diesen Messungen entstehenden Intermodulationskomponenten entsprechen im Pegel der roten Kurve für 85 dBA in 2 m und der grünen Kurve für 85 dBA in 4 m Entfernung. Eine Bewertung ist in diesem Fall noch nicht so gut möglich, da diese Messmethode erst vor kurzem neu eingeführt wurde und noch nicht so viele Vergleichswerte vorliegen.

Fazit Messwerte

Die Dynaudio Focus 260 ist aus messtechnischer Sicht ein gut konstruierter kleiner Standlautsprecher mit einem ausgeglichenen und gutmütigen Verhalten. Gegenüber Verstärkern verhält sich die Box mit nur geringen Schwankungen und geringen imaginären Komponenten im Impedanzverlauf als leichter Partner. Der Frequenzgang ist schön gleichmäßig, die Verzerrungen bleiben gering, und das horizontal breite und vertikal eher enge Abstrahlverhalten ist praxisgerecht. Wer auch mal laut hören möchte, sollte die Sensitivity von 83,3 dB berücksichtigen und die Focus 260 mit Verstärkern betreiben, die in der Lage sind, eine hohe Peakleistung zu liefern.

www.dynaudio.de

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