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"Audio-Wissen von 1974" - Die Themen dieser Artikel sind:

Was war mit der analogen Audio-Studio-Technik machbar und was sollte bzw. mußte ein Toningenieur wissen und gelernt haben. Daß viele dieser Themen (wir schreiben zur Zeit 2016) bereits 35 Jahre alt sind und durch die schleichende Digitalisierung völlig überholt sind, bedeutet nicht, daß sich die physikalischen Grundlagen wesentlich geändert haben.

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D. Studiogeräte und Studioeinrichtungen

Das ist die Forsetzung von dieser Seite vorher.
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D. I. 3. Lautsprecher

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D. I. 3. 1. Der elektrodynamische Lautsprecher

Der Funktion des elektrodynamischen Lautsprechers liegt das elektrodynamische Grundgesetz zugrunde. Diesem Gesetz zufolge erfährt ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld eine Kraft F, die dem Strom I, der Flußdichte B und der in das Magnetfeld eintauchenden Länge L des Leiters proportional ist.

Der Aufbau des elektrodynamischen Lautsprechers erfolgt ähnlich dem des Tauchspulmikrofons (Bild 119). Das magnetische Feld wird im allgemeinen durch einen topfförmigen Permanent- oder einen Elektromagneten erzeugt (permanentdynamischer bzw. elektrodynamischer Lautsprecher).

Das Wandlerprinzip - „elektrodynamisch"

Grundsätzlich liegt der Bezeichnung „elektrodynamischer Lautsprecher" jedoch das Wandlerprinzip und nicht die Erregungsform des magnetischen Feldes zugrunde. Der permanente Magnet hat den Vorteil, daß die Stromversorgung für die Erregerwicklung entfällt. Moderne Lautsprecher besitzen Magnete aus Alnico (Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierungen) oder Bariumfernten [186], mit denen sich bei kleinsten Ausmaßen hohe Flußdichten im ringförmigen Spalt erzeugen lassen.

Eine möglichst hohe Flußdichte ist notwendig, damit die die Membran antreibende Kraft bei gleichbleibendem Schwingspulenstrom möglichst groß ist. Damit die Auslenkung der Schwingspule und der mit ihr fest verbundenen Membran im Interesse geringer nichtlinearer Verzerrungen der Kraft möglichst weitgehend proportional ist, muß das Feld selbst im größten Auslenkungsbereich der Schwingspule homogen sein.

Dieser Forderung wird entweder durch eine zur Spalthöhe relativ schmale oder durch eine wesentlich breitere Schwingspule genügt. Im ersteren Fall befindet sich die Schwingspule selbst bei großen Schwingungsamplituden stets als Ganzes im homogenen Feld, während im anderen Fall zwar nur ein Teil der Schwingspule, aber doch stets eine konstante Anzahl von Windungen im Spalt verbleibt. Schließlich kann der Einfluß des homogenen Feldes auch mit einer von der Membranbewegung abhängigen Gegenkopplung verringert werden [187].

Die Membran

Für die elektroakustischen Eigenschaften des Lautsprechers sind Ausführung und Aufhängung der Membran von großer Wichtigkeit. Die Aufhängung erfolgt einmal am vorderen offenen Ende, indem der geriffelte Rand der Membran(-Pappe) nach außen umgebogen und am Lautsprecherkorb befestigt (verspannt oder geklebt) wird.

Die Aufhängung und die Sicke

Am inneren Ende, an der Stelle also, an der der Schwingspulenträger an die Membran angesetzt ist (besser gesagt : verklebt ist), wird die Membran ein zweites Mal aufgehängt, und zwar mit Hilfe einer sogenannten Spinne (oder auch einer Zentrier-Sicke). Diese Doppelaufhängung gestattet ein genaues Justieren der Schwingspule im Luftspalt und erzwingt bei richtiger Justage außerdem deren genau axiale Bewegung.

Die Eigenschwingungen

Neben den durch die Schwingspule übertragenen erzwungenen Schwingungen führt die Membran auch noch Eigenschwingungen aus. Besonders charakteristisch sind die Knickschwingungen, die nach Bild 120 eine rein konusförmige Membran mit der halben Frequenz der erzwungenen Schwingung erzeugt. Die Eigenschwingungen erstrecken sich oft nur auf einzelne Teilgebiete der Membran. Sie vergrößern nicht nur die nichtlinearen Verzerrungen, sondern verändern auch den Frequenzgang des Lautsprechers, indem sie schmale Einbrüche oder resonanzartige Erhebungen im Kurvenverlauf verursachen.

Die Dämpfung

Man verhindert dies durch eine möglichst weitgehende Dämpfung der Membran. Sie läßt sich durch eine zweckmäßige Form und ein geeignetes Material einschließlich einer geeigneten chemischen Behandlung und durch eine entsprechende Ausbildung der Membranaufhängung auch erreichen [188]. Ein weniger steifes Membranmaterial verursacht eine größere Dämpfung, wobei allerdings ein Kompromiß mit dem dadurch kleiner werdenden Wirkungsgrad des Lautsprechers geschlossen werden muß.

Zur Dämpfung der Membran kann man auch das zwischen ihr und dem Korb des Lautsprechers befindliche Luftvolumen ausnutzen. Zu diesem Zweck deckt man die üblichen Aussparungen im Korb mit einem porösen Material ab. Die im Rhythmus der Membran erfolgende Kompression oder Depression der eingeschlossenen Luft läßt einen reibungsgehemmten Luftstrom durch die Poren zustande kommen, der zu der gewünschten Dämpfung führt.

Die Knickschwingungen

Die Knickschwingungen lassen sich durch eine gekrümmte Membranfläche vermeiden; man nennt sie „Nawi-Membran" ("nichtabwickelbare" Membran; siehe Bild 120).

Die Eigenresonanz einer Membran

Die Aufhängung der Membran muß so weich erfolgen, daß ihre Eigenresonanz an die untere Grenze des Übertragungsbereiches zu liegen kommt. Genau wie beim Bändchenmikrofon schwingt die Membran im Übertragungsbereich dann massegehemmt. Die Membranschnelle nimmt bei konstantem Schwingspulenstrom und damit konstanter Antriebskraft proportional ab. Das ist notwendig, wenn die abgestrahlte Schalleistung unabhängig von der Frequenz konstant bleiben soll.

Voraussetzung dafür ist eine kugelförmig abgestrahlte Schallwelle, die jedoch nur solange gegeben ist, wie die Abmessungen der Membran klein im Verhältnis zur abgestrahlten Wellenlänge bleiben. Die Membran kann aber nicht so klein gehalten werden, da von ihrer Größe die Schalleistung unmittelbar abhängig ist. Normale Lautsprecher von 4W bis 10W benötigen zum Beispiel einen Membrandurchmesser von etwa 15 bis 30cm. Die abgestrahlte Schalleistung nimmt deshalb von mittleren Frequenzen an, deren Wellenlängen die Größe der Membran erreichen, mit 1/omega hoch2 wieder ab.

Bündelung des Schalles sowie Steifigkeit der Membran

Zwei Einflüsse gleichen diesen Abfall zumindest zum Teil wieder etwas aus. Es ist dies einmal die mit der Frequenz zunehmende Bündelung des abgestrahlten Schalles. Sie kann zwar das Absinken der gesamten abgestrahlten Schalleistung nicht verhindern, bewirkt aber wenigstens innerhalb eines gewissen Raumwinkels in der Nähe der Lautsprecherachse eine nahezu konstant bleibende Schallstärke.

Ein weiterer Ausgleich erfolgt dadurch, daß im Bereich der mittleren bis hohen Frequenzen die äußeren Teile der konusförmigen Membran den schnellen Bewegungen nicht mehr folgen können und somit mehr und mehr in Ruhe bleiben. Es werden dann fast nur noch die in der Nähe der Schwingspule befindlichen Membranteile bewegt. Dadurch verringert sich die effektiv mitschwingende Masse, was ein relativ geringeres Absinken der Membranschnelle und damit der Schalleistung im inneren Teil der Membran zur Folge hat.

Damit andererseits die strahlende Membranfläche bei hohen Frequenzen nicht zu klein wird, wodurch die Leistung untragbar abfallen würde, kann durch eine härtende Imprägnierung nur des inneren Membranteiles eine genügende Steifigkeit erreicht werden. Den gleichen Zweck erfüllt noch besser ein kleiner, sehr leichter Membrankegel aus Leichtmetall oder steifem Papier, der zusätzlich am inneren Ende der Membran befestigt wird.

Aufteilung auf mehrere Chassis

Da diese Vorkehrungen den Abfall der Schalleistung jedoch nur zu einem Teil ausgleichen, bereitet die befriedigende Wiedergabe eines breiten Frequenzbandes von 30 Hz bis 15 000 Hz durch einen einzigen Schallstrahler praktisch große Schwierigkeiten. Für eine hochwertige Schallwiedergabe überträgt man deshalb die Abstrahlung des gesamten Frequenzbereiches besser mehreren, im allgemeinen zwei Systemen, einem Tiefton- und einem Hochtonsystem [189].

Diese beiden Lautsprecher sind gemäß ihrer Bestimmung dimensioniert. Das Tieftonsystem hat eine größere Membran mit möglichst niedriger Eigenresonanz, während die Membran des Hochtonsystems im allgemeinen nur aus einer kleinen Metallkalotte besteht. Bezüglich der räumlichen Anordnung beider Systeme ist zu beachten, daß diese so eng wie möglich benachbart erfolgen soll.

Es bilden sich sonst in dem Frequenzbereich, der von beiden Lautsprechern (überlappend) abgestrahlt wird, unerwünschte Interferenzen im Wiedergaberaum aus, die an bestimmten Stellen zu einer völligen Auslöschung schmaler Frequenzgebiete führen können. Läßt sich dieses Ziel aus konstruktiven Gründen nicht verwirklichen, so muß durch Vorschalten elektrischer Frequenzweichen eine möglichst strenge Trennung der von den einzelnen Lautsprechern zu übernehmenden Frequenzbereiche erzwungen werden.

Auf diese Weise werden vom Tieftonlautsprecher die hohen und vom Hochtonlautsprecher die tiefen Frequenzen ferngehalten. Diese Maßnahme ist auch zum Schutz des Hochtonsystems notwendig, da bei tiefen Frequenzen eine für die Membranhalterung des Hochtonsystems unzulässig starke Auslenkung auftreten kann. Eine möglichst gleichphasige Abstrahlung im unvermeidlichen Überlappungsbereich kann durch richtige Polung der Schwingspulenanschlüsse erreicht werden. Ein Beispiel eines solchen aus zwei Systemen bestehenden Lautsprechers zeigt Bild 121.

Das Dreiwege-System

Günstiger ist es, wenn man den Übertragungsbereich für den Schallstrahler in drei Wege nach tiefen, mittleren und hohen Tönen aufteilt. Dies bringt den Vorteil geringeren Klirrfaktors
und geringerer Intermodulationsverzerrungen. Die Übernahmefrequenzen der Weichen müssen so angelegt werden, daß die Resonanzfrequenzen des Mittel- und Hochtonsystems außerhalb des betreffenden Übertragungsbereiches fallen.

Bei dem in Bild 122 gezeigten Studiolautsprecher OY (Klein + Hummel) sind die drei Systeme mit dem Verstärker in ein geschlossenes Gehäuse eingebaut. Zur Unterdrückung stehender Wellen und zur Beseitigung von Gehäuseresonanzen (s. Abschnitt D. I. 1) ist dasselbe mit Dämpfungsmaterial gefüllt [Kompaktbox].

D. I. 3. 2. Elektrostatische Lautsprecher

Genauso, wie eine Umkehrung beim elektrodynamischen Schallwandler vom Schallempfänger zum Schallsender möglich war, ist sie auch beim kapazitiven Schallwandlerprinzip realisierbar [191].

Der Aufbau des kapazitiven Lautsprechers ist deshalb im Prinzip dem einer Mikrofonkapsel ähnlich. Die Kraft F, die auf die Membran ausgeübt wird, ist dem Quadrat der zwischen beiden Elektroden herrschenden Feldstärke B und der Größe der Membranfläche S proportional.

Formel

g ist die Dielektrizitätskonstante.

Die quadratische Abhängigkeit der Kraft von der Feldstärke, die neben den nichtlinearen Verzerrungen vor allem eine Frequenzverdoppelung bewirken würde, wird durch Anlegen einer möglichst hohen Vorspannung eliminiert. Trotzdem ist kein genügender linearer Zusammenhang zwischen dem Verlauf der angelegten Sprechwechselspannung und dem Membranausschlag vorhanden, weil sich die Feldstärke und damit die antreibende Kraft mit dem Abstand der beiden Elektroden ändert.

Um die dadurch entstehenden nicht-linearen Verzerrungen auf ein zulässiges Maß zu begrenzen, ist ein relativ großer Elektrodenabstand erforderlich, der bei einer Membranauslenkung die Abstandsänderung im Verhältnis zum Gesamtabstand klein werden läßt. Durch den größeren Abstand wird jedoch der Wirkungsgrad geringer. Ein Ausgleich hierfür kann durch eine größere Vorspannung erfolgen, der in der Praxis allerdings Grenzen gesetzt sind.

Aus den vorgenannten Gründen hat sich der kapazitive Lautsprecher lediglich als Hochtonlautsprecher eingeführt, da in diesem Fall nur kleine Schwingungsamplituden bei kleinem Membrandurchmesser auftreten.
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  • Anmerkung : Das ist leider nicht richtig, das wußte man 1974 bereits besser. Die QUAD Elektrostaten waren weltberühmt. Die Servostatic 1 von Infinity hatte große Mitteltonpanelen und auch andere Elektrostaten hatten bereits Baßflächen (natürlich mit Überlastungs-Problemen).

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D. I. 3. 3. Piezoelektrische Lautsprecher

Bei diesem Lautsprecher wird die Umkehrbarkeit des piezoelektrischen Effektes ausgenützt. Legt man an die Flächen eines Kristalls eine elektrische Spannung an, so verformt sich der Kristall. Diese Verformung kann man entweder auf eine Membran übertragen oder man läßt den Schall von der Kristalloberfläche direkt abstrahlen, was allerdings voraussetzt, daß sie genügend groß ist. Bekannt sind zum Beispiel Konstruktionen, bei denen eine Kante dieser - einer Klangzelle ähnlichen - Kristallkombination fest eingespannt wird, während die andere Hälfte, eventuell über einen Hebelmechanismus, mit der Membran verbunden ist. Der Hebelmechanismus bewirkt dabei eine Übersetzung der zwar kleinen, aber kräftigen Bewegungsamplituden des Kristalls in die erforderlichen größeren Membranausschläge.

Trotzdem macht es Schwierigkeiten, große Membranauslenkungen zu erzeugen, wie sie für die Abstrahlung tiefer Frequenzen unbedingt erforderlich sind. Der piezoelektrische Lautsprecher eignet sich demzufolge genau wie der kapazitive Lautsprecher vorwiegend für die Wiedergabe hoher Frequenzen. Er besitzt als Hochtonlautsprecher einen relativ guten Wirkungsgrad.

Anmerkung :

Bereits in den Jahren 1977 und 1978 haben sich die Japaner dieses Prinzips bedient, um bei den Videorecordern den oder die Magnetköpfe (auf der sehr schnell drehenden Schrägspur-Videotrommel des Scanners) der Videospur von beschriebenen Bändern folgen zu lassen. Man nannte das auch den Piezo-Schwabbelkopf, weil der Magnetkopf irrsinig schnell aber gesteuert hin und her schwabbeln mußte, um gezielt auf der Mitte der Magnetspur gehalten zu werden.

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D. I. 4. Körperschallwandler, Nachhalleinrichtungen

Wenn auch in der Tonstudiotechnik fast ausschließlich nur Schallwandler für die Umwandlung elektrischer Energie in Luftschall zur Anwendung kommen, so bedingen doch Geräte für die nachträgliche Verhallung aufgenommener Schallereignisse auch eine Anwendung von Schallwandlern für Körperschall.

Die in Bild 123a dargestellte 1m x 2m große Stahlplatte des Nachhallgerätes EMT 140 der Firma EMT Wilhelm Franz [171] wird durch ein dynamisches Wandlersystem 1 - ähnlich dem eines dynamischen Lautsprechers - erregt, wobei die Schwingspule mit der Platte mechanisch fest gekoppelt ist. Zur Vermeidung longitudinaler Eigenschwingungen am oberen Ende des Frequenzbereiches besteht der Schwingspulenkörper hier nicht aus Papier, sondern aus einem nichtferromagnetischen Metall. Zur Einstellung der Nachhallzeit dient eine aus Glasfasern gepreßte poröse Dämpfungsplatte 3, ebenfalls in den Abmessungen 1m x 2m, die durch Gitterleisten verstärkt ist. Der variable Abstand zwischen der Dämpfungsplatte und der Stahlplatte ist zwischen 3mm und 120mm kontinuierlich regelbar und bestimmt die Dämpfung der Platte und damit die Größe der Nachhallzeit (Bild 123b).

Aufgenommen werden die Biegeschwingungen - und damit das verhallte Schallereignis - von einem piezoelektrischen Körperschallempfänger 2 mit einer Barium-Titanat-Scheibe, die eine Dicke von 1mm und einen Durchmesser von 12mm besitzt. Die Resonanzfrequenz dieses Beschleunigungsempfängers liegt über 20.000 Hz.

Bei Weiterverfolgung dieses Prinzips kann man an Stelle der Stahlplatte auch eine Folie aus spezieller Goldlegierung mit wesentlich geringeren Abmessungen verwenden (EMT 240) [282].

Dadurch gelingt es, das Volumen des Gerätes auf ein Zehntel zu verringern (wichtig für Außenübertragungen!).

Schraubenfeder als Körperschallwandler

Unter bestimmten Voraussetzungen kann auch eine Schraubenfeder (Bild 124 a) als Nachhallglied verwendet werden [283]. Als eindimensionaler Wellenleiter kann sie zu Torsions-, Kompressions- und Transversalschwingungen angeregt werden. Für eine gute Hallqualität muß man die Übertragungseigenschaften durch statistische Verteilung der Masse- und Federelemente des Leiters so verändern, daß eine große Diffusität im Zeit- und Frequenzbereich erzielt wird.

Dies kann durch drei Maßnahmen erreicht werden. Durch chemisches Ätzen der Oberfläche des Federdrahtes wird die Masse und Steifigkeit der einzelnen Federelemente reduziert. Für Frequenzen zwischen 200 und 1.000 Hz ist die Ätzung nicht ausreichend, hier wird es notwendig, einzelne Federwindungen zu dellen; wobei diese Dellungen längs der ganzen Feder beliebig verteilt sind. Für tiefere Frequenzen sind zusätzliche Dämpfungsmaßnahmen, sowie mehrere Umlenkungen der Feder erforderlich. Die Anregung der Feder erfolgt gleichphasig an ihren beiden Enden über Drehrähmchen, die in einem homogenen Magnetfeld schwingen. Je System sind zwei Rähmchen starr miteinander verbunden, von denen das eine zur Aufsprache, das andere zur Abnahme dient. Aus Gründen des Übersprechens sind beide Rähmchen um 90° gegeneinander versetzt.

Wie es elektrisch funktioniert

Das zu verhallende Signal (Bild 124b) wird gleichphasig über den Verstärker 2 an je eine Rahmenhälfte der beiden Drehspulsysteme gelegt und das verhallte Signal von den beiden anderen Spulenhälften abgenommen, über Verstärker 3 geführt und dabei gegenphasig zusammengeschaltet. Damit werden die korrelierenden Signalanteile kompensiert, die diffusen Anteile aber erhalten.

Die Einstellung der Nachhallzeit erfolgt über zwei Dämpfungsverstärker 1 unter Anwendung des „motional feedback"-prinzips. Dabei erfolgt Aufsprache und Abnahme in einem geschlossenen Signalkreis an derselben Stelle des mechanischen Schwingungssystems.

Direktschall, erste Reflexion und Nachhall

Der akustische Eindruck eines Raumes hängt im wesentlichen davon ab, in welchen Zeitabständen und in welcher Stärke Direktschall, erste Reflexion und Nachhall auftreten. Verzögert man den Nachhall gegenüber dem Direktschall immer mehr, um so größer wirkt der Raum akustisch. Dabei verliert der Raum aber an „Durchsichtigkeit". Fügt man jedoch die erste Reflexion (Bild 125a) zwischen Direktschall und Nachhall ein, so bleibt auch ein großer Raum akustisch „durchsichtig". Dabei liefert die erste Reflexion eine Aussage über die Dimensionen eines Raumes. Der Raumhall kann zwar mit den vorher beschriebenen Nachhallgeräten erzeugt werden, für die Nachbildung der ersten Reflexion muß man aber eine Verzögerungseinrichtung - Laufzeitgeber genannt - einsetzen.

Nachtrag digitales Verhallen (vermutlich von 1979)

An Stelle der bisher üblichen Magnettongeräte (s. D. Y. I.) lassen sich mit den Mitteln der Digitaltechnik vollelektronische Laufzeitgeber aufbauen. In unserem Beispiel (Bild 125 b) wird die Eingangsspannung mit einer Pulsfrequenz von 30kHz zerhackt. Jedes entstandene Teilstück wird in einem Analog/Digitalwandler amplitudenbezogen analysiert. Somit ergeben sich 10 Ja/Nein-Informationen oder 210 Möglichkeiten in einem Digitalcode von 9 bit. Diese Informationen werden einem Laufzeitspeicher, der aus 9 Schieberegistern besteht, zugeführt. Jedes Register besitzt hintereinander 1.000 Speicherstellen, über die die Information im Takt von 30kHz weitergeschoben wird. Nach je 250 Stellen kann eine verzögerte Abnahme erfolgen. Da der 9-bit-Code allein noch keine befriedigende Qualität ergibt, wird eine automatische Verstärkungsumschaltung und eine Rauschsperre eingesetzt. Damit wird eine Amplitudenquantisierung von praktisch 12 bit erreicht [284].

D. II. Verstärker

Die in der Tonstudiotechnik gebräuchlichen Verstärker kann man entsprechend ihren Aufgaben grundsätzlich in drei Gruppen einordnen.

Gruppe 1 - Spezialverstärker

Die erste Gruppe umfaßt alle die Verstärker, die den elektroakustischen Wandlern oder den in den Schallspeichergeräten benutzten Aufzeichnungs- und Abtastwandlern zugeordnet sind. Das sind zum Beispiel die Mikrofonverstärker, Aufzeichnungsverstärker, Fotozellenverstärker, Endverstärker und so weiter. Sie haben zunächst die Aufgabe, eine Impedanzruandlung vorzunehmen, da sich die physikalisch bedingten Innenwiderstände der verschiedenen Wandlerarten meist stark voneinander unterscheiden und die Geräte unter Beachtung der Anpassungsbedingungen nicht unmittelbar aneinander geschaltet werden können. Des weiteren sollen diese Verstärker je nach Zuordnung entweder die vom Wandler abgegebene niedrige Spanung auf eine höhere Spannung (Normalpegel = 0,775 V) verstärken oder die für einen nachgeschalteten Wandler notwendige Spannungsverstärkung oder Leistungsverstärkung vornehmen. Ferner sollen sie die physikalisch bedingten linearen Verzerrungen der Wandler kompensieren. Das bedeutet, daß sie jeweils nur einer bestimmten Wandlertype zugeordnet werden können und nicht universell verwendbar sind. Deshalb soll im vorliegenden Buch ihre Behandlung auch bei den betreffenden Wandlerarten mit erfolgen.

Eine Ausnahme wird hier lediglich bei den Endverstärkern - die für die Aussteuerung von dynamischen Lautsprechern bestimmt sind - gemacht, da sie, abgesehen von wenigen Ausnahmen, keiner bestimmten Lautsprechertype zugeordnet werden.

Gruppe 2 - Spannungsverstärker

Zur zweiten Verstärkergruppe gehören die Verstärker, die eine reine Spannungsverstärkung vorzunehmen haben. Sie werden überall dort benötigt, wo der wegen zu langer Übertragungsleitungen oder anderer Dämpfungsglieder abgesunkene Spannungspegel wieder angehoben werden soll. Man bezeichnet sie deshalb allgemein als Leitungsverstärker oder Studioverstärker.

Gruppe 3 - Verteilungs-, Knotenpunkt- und Trennverstärker

Die dritte Gruppe bilden die Verteilungs-, Knotenpunkt- und Trennverstärker. Sie nehmen eine rückwirkungsfreie Weiterleitung der Tonfrequenz auf die verschiedenartigsten Verbraucher, beispielsweise Abhöreinrichtungen, Übertragungsfernleitungen usw., vor.

Grundlagen-Hinweis

Da die Kenntnisse sowohl über die Grundlagen der Elektronenröhren und Transistoren als auch über den Bau von Verstärkern weit genug verbreitet sind und darüber auch umfangreiche Literatur existiert [21-27], kann hier auf deren Behandlung verzichtet werden. Wir beschränken uns deshalb auf die spezifischen Eigenschaften dieser Verstärker. Dagegen ist es notwendig, zuvor noch auf die Fragen der Zusammenschaltung der Verstärker, das heißt die Anpassungsprobleme und Kopplungsarten, einzugehen.
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D. II. 1. Zusammenschaltung der Verstärker

Bei der Zusammenschaltung von Verstärkern sind vor allem die Probleme der elektrischen Anpassung, das heißt das Verhältnis des Ausgangswiderstandes eines Verstärkers zum Eingangswiderstand des nachfolgend angeschalteten Verstärkers, von grundlegender Bedeutung.

Um jedoch bei den nachfolgenden Betrachtungen Mißverständnisse auszuschalten, muß zuvor noch eine Begriffsdefinition der verschiedenen benutzten Widerstandsbenennungen erfolgen.
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Definition der Widerstandsbenennungen

Der Nenn-Quellwiderstand Rq eines betrachteten Verstärkers ist der an ihn eingangsseitig anzuschaltende Widerstand, bei dem dieser seine ihm vorgeschriebenen Funktionen erfüllen soll.

Der Nenn-Abschlußroiderstand Ra ist dagegen der Widerstand, der zur Erfüllung der gleichen Forderung an seinen Ausgang angeschaltet werden muß.

Wenn also gemessen wird . . . .

Sämtliche Abnahmemessungen beziehen sich auf diese Nennwiderstände. Die im praktischen Betrieb tatsächlich angeschalteten Widerstände bezeichnet man einfach als Quell- beziehungsweise Abschlußwiderstände. Im letzteren Fall ist auch die Bezeichnung Belastungs- oder Bürdenwiderstand üblich.

Als Ausgangs- oder Innenwiderstand Ra eines Verstärkers bezeichnet man seinen Scheinwiderstand, der an seinem unbelasteten Ausgang gemessen wird.

Der Eingangswiderstand Re dagegen ist der Scheinwiderstand, der am Eingang des Verstärkers gemessen wird. Dabei darf außer dem Meßgerät kein anderer Widerstand angeschaltet sein.

D. II. 1. 1. Leistungsanpassung

Die aus der allgemeinen Elektrotechnik grundsätzlich bekannten Anpassungsprinzipien finden auch bei der Zusammenschaltung von Verstärkern in der Tonstudiotechnik Anwendung. Dabei ist jedoch das aus der Fernsprechtechnik bekannte Prinzip der Leistungsanpassung: Ra = Ri, das heißt: „Abschlußwiderstand gleich dem Innenwiderstand" eines Verstärkers, kaum gebräuchlich.

Das hat seine Ursache darin, daß hier weniger eine maximale Leistungsabgabe, als vielmehr eine von linearen und nichtlinearen Verzerrungen möglichst freie Übertragung des - im Verhältnis zur Fernsprechtechnik - wesentlich größeren Frequenzbereiches interessiert.

Eine verzerrungsfreie Übertragung ist aber im vorliegenden Fall nur möglich, wenn das Verhältnis: Ra : Ri frequenzunabhängig konstant bleibt. Diese Forderung ist jedoch bei einem derartig breiten Frequenzband, wie es in der Studiotechnik angestrebt wird, kaum zu realisieren.

Verstärkereingänge und -Ausgänge bilden bei Verwendung von Übertragern komplexe Widerstände, ebenso die zwischengeschalteten Leitungen. In der Zusammenschaltung stellen sich deshalb bei der Leistungsanpassung Frequenzabhängigkeiten ein, deren Verlauf schwer zu übersehen ist.

Eine Anwendung erfährt das Prinzip der Leistungsanpassung in der Elektroakustik deshalb nur dort, wo auf maximale Leistungsausnutzung nicht verzichtet werden kann, was meist nur bei Leistungsverstärkern (Endverstärkern) der Fall ist.

D. II. 1. 2. Überanpassung

Im allgemeinen strebt man einen von der Zusammenschaltung der Verstärker unabhängigen Frequenzgang an. Man arbeitet dann im Bereich der Überanpassung, wobei den Forderungen der Starkstromtechnik entsprechend Ra >> Ri (Ra viel größer als Ri), das heißt der Abschlußwiderstand groß im Vergleich zum Innenwiderstand, ist. Die über Ri liegende Urspannung eines Verstärkers wird dann bei Anschaltung eines nachfolgenden Gerätes kaum geändert.

Änderungen von Ra oder Ri in Abhängigkeit von der Frequenz um bis zu 50% sind ohne nennenswerten Einfluß auf den Frequenzgang.

Selbstverständlich wird hierbei die Leistung eines Verstärkers von einem nachgeschalteten Verstärker nur zu einem Bruchteil ausgenutzt. Das ist, solange es sich um relativ kleine Leistungen handelt, wie zum Beispiel bei Mikrofon- oder Studioverstärkern, nicht von Nachteil, da es ein leichtes ist, eine zu wenig ausgenutzte Leistung durch eine höhere Verstärkung des nachfolgenden Verstärkers wieder auszugleichen.

Die Überanpassung hat den ganz besonderen Vorteil, daß an einen Verstärkerausgang mehrere andere Verstärker angeschaltet werden können, ohne daß sich die über Ri liegende Urspannung merklich ändert, solange deren wirksamer Abschlußwiderstand nur groß genug im Vergleich zu Ri bleibt.

Diese Möglichkeit muß in Studioanlagen sehr häufig ausgenutzt werden. Mit dem bei Studioverstärkern allgemein üblichen Verhältnis von Ra:Ri etwa 25:1 können etwa bis zu fünf Verstärkereingänge an einen Verstärkerausgang angeschaltet werden, ohne daß sich durch das nunmehr neuerliche Verhältnis von Ra:Ri etwa 5:1 die Urspannung wesentlich verändert.

Verringert man dieses Verhältnis weiter, so besteht die Gefahr, daß neben einem allmählichen Rückgang der Urspannung eine zunehmende Veränderung des Frequenzganges, insbesondere bei tiefen Frequenzen, einsetzt.

D. II. 1. 3. Größe des absoluten Widerstandes

Wenn wir bisher bei der Behandlung der Anpassungsverhältnisse den Innenwiderstand und den Außenwiderstand eines Verstärkers betrachtet haben, so betraf dies zunächst ihr Verhältnis zueinander.

Es erhebt sich deshalb die Frage: Wie groß dürfen diese Widerstände absolut werden?

Der Eingangswiderstand der meisten Verstärker könnte grundsätzlich so ausgelegt werden, daß man unmittelbar den Eingang der Schaltung ankoppeln kann. In vielen Fällen wird diese Möglichkeit auch ausgenutzt. In der Studiotechnik dagegen, in der man aus noch später genannten Gründen die Signalspannung fast ausschließlich über einen Eingangsübertrager auf die Schaltung gibt, läßt sich im Tonfrequenzbereich nur ein Eingangswiderstand in der Größenordnung von einigen Kiloohm erreichen.

Für die Größe des Innenwiderstandes ist neben der des Eingangswiderstandes des nachgeschalteten Verstärkers in Verbindung mit dem gewählten Anpassungsprinzip vor allem die Länge der zwischen beiden Geräten notwendigen Verbindungsleitung maßgebend.

Jede elektrische Leitung hat bekanntlich eine unvermeidbare Eigenkapazität, die als frequenzabhängiger Widerstand parallel zum Innenwiderstand liegt und damit den Verstärkerausgang ebenfalls frequenzabhängig belastet.

Zur Vermeidung von unzulässigen linearen Verzerrungen darf deshalb der Innenwiderstand nicht kleiner als etwa ein Fünftel des kapazitiven Leitungswiderstandes einer Leitung maximal gebräuchlicher Länge bei der höchsten zu übertragenden Frequenz werden:

Nimmt man diese Länge zu 100m und deren Kapazität zu 100pF/m an, so bestimmt sich der Ausgangswiderstand bei einer oberen Frequenz von 15.000 Hz zu 200 Ohm. Dieser Widerstand stellt damit praktisch einen Maximalwert dar, weil in der Tonstudiotechnik mitunter noch längere Leitungen verwendet werden müssen. Wenn möglich, wird man deshalb diesen Wert zu unterschreiten versuchen.

Mit Ausnahme der Mikrofonverstärker und der Tauchspulmikrofone, deren Innenwiderstand im Interesse einer gegenüber Fremdspannungseinflüssen noch genügend großen Ausgangsspannung bei 200 Ohm liegt, sind deshalb Ausgangswiderstände von 20 Ohm bis 60 Ohm üblich.

Bei der Anschaltung von Lautsprechern an Endverstärker hilft man sich dagegen so, daß der Endverstärker möglichst in unmittelbarer Nähe des Lautsprechers aufgestellt wird, damit die Verbindungsleitung kurz bleiben kann.

D. II. 1. 4. Kopplungsarten

Unter diesem Begriff verstehen wir die verschiedenen elektrischen Ausführungsmöglichkeiten der Aus- und Einkopplung der Tonfrequenzspannung.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen erdsymmetrischer, kurz: symmetrischer, und erdunsymmetrischer Ankopplung. Unter der ersteren versteht man, daß beide Adern der Übertragungsleitung gegenüber dem Erdpotential zwar Spannungen gleicher absoluter Größe, aber entgegengesetzter Phase besitzen. Bei der letzteren ist dagegen eine der beiden Adern geerdet.
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Die symmetrische Ankopplung

Die symmetrische Ankopplung läßt sich am einfachsten durch eine transformatorische Ein- und Auskopplung erreichen. Unter der Voraussetzung, daß beide Leitungsadern gleiche Kapazität gegenüber dem Erdpotential besitzen - was praktisch stets hinreichend gut erfüllt ist -, stellt sich auch ohne Erdung einer Mittelanzapfung des Übertragers eine ausreichende erdsymmetrische Verteilung der beiden Tonfrequenzspannungen ein. Eine Erdung kann sogar dann nachteilig werden, wenn sie auf beiden Seiten, das heißt bei den Aus-und Eingangsübertragern zweier gekoppelter Verstärker, vorgenommen wird. Das zwischen beiden Erdungspunkten immer vorhandene Spannungsgefälle kann sich in diesem Fall über die Leitung ausgleichen und wegen unvermeidbarer kleiner Unsymmetrien eine Fremdspannungseinstreuung hervorrufen.

Der besondere Vorteil der symmetrischen Ankopplung liegt darin, daß eine kapazitive oder induktive Einstreuung in die beiden Adern der Übertragungsleitung eine gegenüber dem Erdpotential nahezu gleiche Spannung mit gleicher Phase influenziert beziehungsweise induziert (Bild 126).

Wegen der gleichen Phasenlage heben sich die eingestreuten Spannungen praktisch auf, sie haben also keinen Stromfluß im Übertrager zur Folge. Bei völlig gleicher Einstreuung in beide Adern und vollkommener Symmetrie findet sogar ein vollkommener Ausgleich statt. Durch Verdrillen der Adernpaare in der Kabelleitung und einen geeigneten Wicklungsaufbau der Übertragerwicklung kann eine weitgehende Symmetrierung erreicht werden.

Der Nachteil dieser Ankopplungsart ist vorwiegend wirtschaftlich bedingt, weil die notwendigen Breitbandübertrager (von wenigen Spezialisten angefertigt) naturgemäß sehr teuer sind. Man wird die symmetrische Ankopplung trotz ihrer großen Vorteile nur in solchen Anlagen bzw. Betrieben anwenden, in denen hohe Anforderungen an den Fremdspannungsabstand gestellt werden müssen. In der Studiotechnik ist dies ausschließlich der Fall.

Die unsymmetrische Ankopplung

Bei der unsymmetrischen Ankopplung ist die Wirkung einer Fremdspannungseinstreuung viel größer, da Einstreuungen in nur eine Leitungsader keine Kompensationen ermöglichen. Die eingestreute Fremdspannung wird am Verstärkereingang voll wirksam. Der Vorteil dieser Ankopplungsart liegt in ihren geringen Kosten. Sie wird deshalb hauptsächlich in solchen Anlagen verwendet, in denen keine hohen Anforderungen an den Fremdspannungsabstand gestellt werden.

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