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Die "Regelung" von Lautsprechern ist ein ganz difiziles Thema

von Gert Redlich im Aug. 2015

  • Aus meiner/unserer Sicht bedeutet "die Regelung" eines Lautsprechers, also eines einzelnen Lautsprecher-Chassis, daß über eine (irgendwie eingebaute) Ist-Zustands- Erkennung der diesem Chassis vorgeschaltete Leistungsverstärker mit Hilfe eines Differenz-Signales (auch Korrektursignal genannt) an das Chassis genau die (korrigierte bzw. ergänzende ) Energie liefert, die das vom Vorverstärker angelieferte ursprüngliche Eingangssignal jetzt genauestens abbildet.

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So weit die Theorie . . . .

Klingt doch gut, dieser lange verschachtelte Satz. So ist der komplexe Zusammenhang zumindest technisch einigermaßen korrekt ausgedrückt. Ich habe ihn auch mehrfach (korrektur-) gelesen, das ist wirklich kein Manko.
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Die Praxis spricht nämlich eine ganz andere Sprache . . .

In der Praxis ist es leider unmöglich, die jeweilige Membrane über eine Rückkoppelung irgendwie zu zwingen, absolut exakt dem elektrischen Eingangssignal (aus der Programmquelle bzw. dem Vorverstärker) zu folgen. Es kommen immer nur sogenannte hinreichende "Näherungswerte" heraus.

  • Anmerkung : Daß das Ganze überhaupt nicht trivial ist, sehen Sie daran, daß es an den Fachhochschulen und Technischen Hochschulen eine ganz spezielle Fachrichtung "Regelungstechnik" gibt. Das sind dann 3 bzw. 4 Jahre intensivem Studiums, was in dieser Materie alles zu lernen und zu beachten ist. Und ohne die moderne EDV- bzw. Computer-Technik geht da gar nichts mehr. Im Jahr 2017 ist das selbstfahrende Auto ein Meilenstein der Regelungstechnik und wie man leider an den bisherigen Unfällen sieht, es ist wirklich eine Wissenschaft für sich, die man (doch) nicht einfach so aus dem Ärmel schüttelt.

    Insbesondere EDV- unerfahrene und dennoch sehr gute Akustiker sollten sich von diesem Fachgebiet weit fern halten, das ist eine Nummer zu groß. Die Canton CA Serie war theoretisch eine Super-Entwicklung. In der Praxis kamen aber dann die Nachteile zum Vorschein, die ganz bestimmt sehr viele teure Service-Leistungen erzwungen hatten.

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Die Methoden und die Patente - ein "KO"- Kriterium - Patente

Selbstverständlich sind der Kreativität eines jungen und dynamischen Ingenieurs keine Grenzen gesetzt, es sei denn, "ein Anderer" hatte die Idee auch schon mal und der hatte sie sich patentieren lassen. Dann ist mit dieser Methode erst mal für 20 Jahre Pause.

So ist es zum Beispiel bei den verschiedenen Prinzipien der Erkennung von einem "Mißverhalten" eines Lautsprecher-Chassis, das partout nicht das machen will, das ihm der Verstärker vorgibt.

Die Frage ist, wie erkenne ich, ob der Lautsprecher - oder besser das Chassis - oder noch besser die Membrane / Kalotte genau das an Bewegungen macht, das das elektrische Signal (vom Verstärker) enthält.

Aufgrund der Messungen und Versuche von Herrmann Hoffmann bei der Entwicklung der AEC Monitor und der Auswahl der Bass-Chassis kam heraus, daß zum Beispiel bei einem angeschlagenen bzw. gezupften Kontrabass die erste Sinusschwingung allermeist gar nicht in akustische Energie umgesetzt wird, erst die zweite Schwingung und die folgenden Schwingungen werden überhaupt hörbar. So träge ist die Bass-Membrane selbst von teuren und guten Chassis.
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Was bedeutet "Regelung" bzw. "Korrektur" ?

Erst mal pauschal beschrieben : Der Kraftverstärker bekommt von seiner Quelle ein Musiksignal angeliefert und gibt das verstärkt an die Box weiter. Dort wird es aufgeteilt und an die entsprechenden Chassis weitergeleitet. Die Chassis sollen das jeweilige Teil-Signal an die Luft weitergeben, damit wir das hören können. Bis dahin ist es scheinbar ganz einfach.

Doch die Luft ist auch eine Masse (aber durchsichtig und gasförmig), die sich so einfach nicht bewegen lassen möchte. Halten Sie bei Tempo 120 mal die Hand oder den Kopf aus dem Beifahrerfenster. Dann wissen Sie, welche Masse an Luft Ihnen um die Ohren fliegt.

Der Lautsprecher-Konstrukteur will also wissen und messen, wie gut (oder wie schlecht) sein elektrisches Signal in akustische Energie umgesetzt worden ist. Erkennt also der Messfühler - wie auch immer er das macht - daß die Membrane nicht genau die Auslenkung macht - warum auch immer - die vom Verstärker zwingend vorgegeben ist, müsste er ja nur die fehlende Differenz mit einer gehörigen Portion Leistung hinzufügen bzw. ergänzen. Eine an und für sich tolle Idee.
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Ein Differenzsignal muß erzeugt werden

Irgendwie muß also meine Methode erkennen, wie sich die Membrane bewegt hatte oder wo sie gerade ist. Ideal wäre es natürlich, wenn ich die Bewegung meiner Membrane einfach total übergehe und gleich mit einem sehr sehr guten Mikrofon das akustische Ergebnis (der Bewegung) direkt vor der Box abnehme und mit dem ursprünglichen Audio-Signal vergleiche und so die erkannte oder ermittelte Differenz als "Regelgröße" benutze.

Das ist (oder war bislang) leider nahezu unbezahlbar. Weiterhin ist es in einem normalen Wohnraum nur unter (Ehe-) Kriegsbedingungen realisierbar. In großen modern ausgerichteten Sälen und Hallen wird das zur Zeit gerade eingeführt (notgedrungen). Dort gibt es zum Beispiel in einer geplanten "Event-"Halle in Rheinhessen die Planung mit 48 Mikrofonen, die von der Decke herunter hängen und in 8 leistungsfähige Rechner eingespeist werden, um dort die verschiedenen Audio-Signale zu den einzelnen Schallzeilen zu korrigieren. Mitsamt Software soll das System ca. 750.000 Euro kosten - zuzüglich eines Spezialisten, der das Ganze vor jeder Veranstaltung auspegelt.

Sie sehen also, Radio Eriwan sagt im Jahr 2016, im Prinzip geht es. Und super- optimal wäre es (im luftleeren Raum), wenn dann die Differenz gleich Null ist.
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Das ist plausibel und klingt doch ganz einfach.

Bleiben wir bei dem finanziell Machbaren. Wir überwachen die Membrane(n) des / der Chassis. Die kleine Randbedingung ist doch "nur", der eingebaute Regelkreis muß die Differenz recht schnell "ausregeln" bzw. das notwendige Mehr an Leistung "nachschieben". Die Elektronik des Regelkreises muß daher etwa um den Faktor 100 schneller sein, als die zu regelnde Größe - und das wären unsere Audio-Frequenzen bis vielleicht 15.000 Herz. Das ist in Grenzen auch noch zu machen. Bei einem 20 Kiloherz Quell-Signal wid es aber langsam unrealistisch, dieses mit Faktor 100 zu korrigieren.
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Betrachten wir besser den Bass, bei dem diese Unzulänglichkeiten ganz besonders auffallen. Eine nicht ausreichende - also zu kleine - Amplitude (Auslenkung) der Bass-Membrane durch kräftige Mehrleistung zu korrigieren, scheint zumindest logisch und trivial - bei der oberflächlichen Betrachtung.

Doch was ist, wenn es bereits zu viel des Guten ist ?
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Das Problem der Überschwinger . . .

Das Problem sind nämlich die Überschwinger, die die Elektronik erahnen müsste. Denn wenn die Membrane bereits "zuviel" ausgelenkt hat, ist "das Kind bereits in den Brunnen gefallen". Das läßt sich (jedenfalls zur Zeit mit den konventionellen Mitteln) nicht mehr zurückdrehen. Zuviel ist bereits zuviel.
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Der Sensor zeigt also an, die Membrane hat die optimale Auslenkung exakt entsprechend dem Vergleichssignal erreicht . . . und sie bewegt sich jetzt einfach weiter. Die Membrane hat nämlich durch ihre Masse so viel Schwung (kinetische Energie) mitbekommen, daß sie eben nicht sofort anhält oder gar die Richtung umkehrt. Noch geht es ein Stück in die eigentlich falsche Richtung einfach weiter.

Das ist natürlich völlig kontraproduktiv. Der letzte Korrektur-Schub war also zu viel. Das hätte man (vorher) wissen müssen, wann aufzuhören oder gegenzusteuern ist. Und jetzt wird es richtig kompliziert.
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Die Ist-Erkennung ist also unzulänglich, bei allen Methoden !

Alle Regelungsmethoden, ob von Infinty mit der Servostatic 1, von Canton Ergo Aktiv oder den C10/C20 und C30 Boxen oder Backes & Müller oder Bowers & Wilkins oder sonstigen Herstellern waren und sind nur die halbe Weisheit bzw. die Wahrheit.

Alleine Philips hatte mit seiner patentierten analogen Methode fortschrittlich nachgedacht und nicht den Ist-Zustand abgefragt, sondern über die aktuelle Beschleunigung den vermuteten Zielzustand (das wäre die maximale Auslenkung der Membrane) zu ermitteln vesucht.

Alleine mit diesem Verfahren mit Hilfe von Beschleunigungs-Sensoren kann (könnte) man den Weg bzw. das Ende der effektiven Bewegung der Membrane voraussagen (oder berechnen). Doch das in der Analog-Zeit vor 30 Jahren ein unerfüllbarer theoretischer Traum gewesen, und das ist sicher verständlich. Mit den heutigen Computer-Technologien - zum Beispiel der sogenannten "Fuzzi Logic" - ginge das spielend und endlich auch nahezu perfekt.
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Ein Beispiel der damaligen Möglichkeiten . . . .

Zm Beginn meiner Studienzeiten 1969 musste ich einen Analogrechner (ja, das gab es wirklich) programmieren und das virtuelle Auffahren eines Autos mit einem Vorderrad auf einen scharfkantigen Bordstein mathematisch (Integral- und Differential-Rechnung) darstellen.

Damals war nur die Frage interessant, die entwickelte Formel so umzubauen, daß ich mit dem zu berechnenden Dämpfungselement (dem Stoßdämper) das Nachschwingen (der Achse und des Rades - hier die Membrane) optimieren könne. Beim Lautsprecher haben wir sehr ähnliche Konstellationen wie bei dem Vorderrad und dem Bordstein.

Ich treibe die schwingende Masse (Membrane und Schwingspule sind die Masse) elektrisch an und will die Luft bewegen, das ist die nachgiebige Dämpfung (unser Stoßdämpfer), abhängig von der Membranfläche. Dabei sind zusätzlich Widerstände der beiden Sicken (Zentriersicke und Schaumstoffsicke) mit zu dem Stoßdämpfer hinzuzufügen.

Man kann also bei vorgegebener Energie (Verstärkerleistung und magnetische Feldstärke des Chassis-Magneten) ausrechnen, wie weit sich die Membrane bewegen würde. Die Betonung liegt auf : im voraus berechnen !
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Vergleich der Technik von 1986 und heute in 2016

Damals war es ein Traum, ein Beschleunigungsaufnehmer, der im gleichen Chip die sich ja laufend verändernde Beschleunigung erkennt und mit 100 MHz Geschwindigkeit sofort in digitale Daten umrechnet und die in Echtzeit an den Prozessor überträgt. Der wiederum kann mit 2 oder mehr Gigaherz die Differenz und den Korrekturwert errechnen und zeitgleich Veränderungen des Luftdrucks und der Lautstärke resident abspeichern.

In der ct (eine Computer Zeitschrift) werden laufend die neuesten Entwicklungen der kleinen Spielroboter beschrieben, die das alles bereits perfekt vormachen. Sie spielen - mit 3 Kameras ausgerüstet - ganz einfach nur Fußball. Dabei rasen sie hochgenau und irre schnell hinter dem sich bewegenden Bällchen her und dürfen mit den anderen Konkurrenten nicht kollidieren.

Und es geht - heute in 2016/2017, damals war es nur ein Traum.
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konnte es nicht funktionieren. Dort bin ich zum ersten Male mit der Komplexität solcher elektronischen Methoden und deren Schwächen (bei der analogen Verwirklichung) konfrontiert worden.

Mehrere weitere Artikel von Philips und B&M und anderen folgen noch.
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