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Ein Artikel über die Lautsprecher-Tests (1982)

Nachdem in immer mehr "hochglänzenden" Hifi-Magazinen reihenweise Testsieger kreiert wurden, haben sich Arndt Klingelnberg und Karl Breh Gedanken gemacht, wie man die physikalischen Grundlagen von Lautsprechern in Verbindung mit den physiologischen Grundlagen des Ohres (bzw. des gesamten Kopfes) nicht nur aufzählt, sondern auch verständlich formuliert. Der normale Nicht-Physiker sollte ja auch verstehen, warum es manchmal klingt und manchmal nicht und was für einen dümmlichen Schmus ihm der "Starverkäufer" im naheliegenden Elektromarkt erzählt hat oder gerade zu erzählen versucht. Der Artikel erschien in der Hifi-Stereophonie Heft 3/1982.

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Wie sind Lautsprecher-Testergebnisse zu interpretieren?

Der wesentliche Gesichtspunkt, unter dem ein Lautsprecher ausgewählt werden sollte, ist sein Klangcharakter und seine Verfärbungsfreiheit.

Diese Eigenschaften können natürlich nur in einem sorgfältig durchgeführten Hörtest ermittelt werden, weshalb auch in Zukunft unverändert unser Schwerpunkt auf den Hörtest gelegt wird. Beim psychometrischen Hörtest werden die Hörergebnisse mathematisch-statistisch aufgearbeitet. Das Ergebnis rückt dabei in puncto Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit (innerhalb des Testfeldes) an die meßtechnisch ermittelten Ergebnisse heran, so daß man auch bei diesen Ergebnissen durchaus von echten "Meß"-ergebnissen sprechen kann.

Individuelle Einflüsse sind stark vermindert, insbesondere da auch der Abhörraum entsprechend einem durchschnittlichen Wohnraum gestaltet ist (Nachhallzeit, akustische Dämpfung, Volumen). Besondere individuelle akustische Fehler sind durch geeignete Feinkorrekturen beseitigt. Daß die Juroren in einem Hörtest besonderer Schulung und Erfahrung bedürfen, sollte berücksichtigt werden.

Die meßtechnischen Ergebnisse

Neben dem Hörergebnis sollten aber auch bestimmte, rein technisch meßbare Werte die Lautsprecherauswahl beeinflussen. Hierunter fällt das Problem der Verstärker-Lautsprecher Paarung und die Lautstärke-Raum Erfordernisse des speziellen Anwendungsfalles. Darüber hinaus können die meßtechnischen Werte die Ergebnisse des Hörtests interpretieren bzw. belegen. Sie geben auch leichter Auskunft über die Variierbarkeit des Hörergebnisses, etwa durch andere Aufstellung oder andere Pegelstellerpositionen.

Nachfolgend sind die einzelnen Meßpositionen aufgelistet, und es werden Interpretationshilfen zur Auswertung gegeben. Änderungen (Verbesserungen), die im letzten halben Jahr eingeführt wurden, sind hierbei berücksichtigt.

(1) Schalldruck und harmonische Verzerrungen

Diese (spezielle) Schalldruckkurve gibt den Frequenzgang im Abhörraum und die harmonischen Verzerrungen bei relativ hoher Lautstärke wieder. Das Meßmikrophon befindet sich in 2m Abstand in Abstrahlrichtung der Box. Die Lautstärke (besser: der Schalldruck) bei der Messung ist aus dem Diagramm ersichtlich und liegt gemittelt zwischen 88dB SL (Dezibel Sound Level = Schallpegel) und 97dB SL. Diese Lautstärke wird von uns eingestellt in Abhängigkeit vom zu erwartenden Einsatzbereich der Box und den Anforderungen, die man an den Lautsprecher stellen kann.

Hier geht natürlich im wesentlichen die Lautsprechergröße ein, allerdings auch etwas der Preis und das Konstruktionsprinzip. So wird eine preisgünstige Minibox bei 88dB SL gemessen und ein vergleichsweise riesiger (> 200 1) Horn-lautsprecher (für über 2.500.- DM) bei 97dB SL.

Das Diagramm ist bei den neueren Test für den absoluten Schallpegel im Bereich von 60dB SL (untere Linie) bis 110dB SL (obere Diagrammbegrenzung) skaliert. Bei dem Vergleich zweier Lautsprecher ist die eventuell unterschiedliche Meßlautstärke zu beachten. Bei einem höheren abgestrahlten Schalldruck werden natürlich auch die Verzerrungen höher!

Weiterhin ist der elektrische Signalpegel angegeben, der bei dieser Messung in die Lautsprecherbox eingespeist wurde. Zusammen mit dem bei unseren Verstärkertests angegebenen maximalen unverzerrten Ausgangspegel und dem aus dem Diagramm ablesbaren Schallpegel (Mittelwert bilden!) kann die Paarung Verstärker-Lautsprecher in Hinsicht auf die erzielbare Maximallautstärke überprüft werden. Hat der Verstärker z. B. einen gegenüber dem Meßpegel um 10dB höheren max. Ausgangspegel, so kann man maximal einen 10dB höheren Schalldruck erreichen.

Rechenbeispiel:
Meßpegel: +15 dBV (^ 15W an 4Ohm), gemittelter Schalldruck aus Diagramm: 94dB SL,
Verstärkerausgangsleistung 80W = +25 dBV aus Verstärkertest; Pegelreserve +25 dBV - (+15 dBV) = +10dB;
möglicher Schalldruck 94dB SL +10dB = 104dB SL.

Hierbei muß natürlich die Belastbarkeit des Lautsprechers mit berücksichtigt werden (siehe auch „maximaler Schalldruck").

(2) Quadratische und kubische Verzerrungen

Bewegt sich die Membrane nicht in gleicher Weise aus der Box heraus wie in die Box hinein, so erhält man quadratische Verzerrungen (k2), das heißt: die Lautsprecherbox produziert zusätzlich die Oktave über dem Grundton.

Will die Membrane größere Auslenkungen oder Geschwindigkeiten nicht mitmachen und ist es dabei egal, ob die Bewegung hinein oder heraus abläuft, so ergeben sich kubische Verzerrungen (k3), das entspricht der Duodezime über dem Grundton (Quinte über der Oktave).

Dieses sind die Hauptverzerrungen eines Lautsprechers. Höhere Harmonische, Differenzton-, Intermodulations-und Dopplerverzerrungen sowie Verzerrungen durch Partialschwingungen wie auch Subharmonische sind nur mit besonderen Meßaufbauten meßbar. Hier hilft der Hörtest bei der Bewertung weiter. Die Verzerrungskomponenten werden gemessen, indem bei der Messung ein Filter mitläuft, das gegenüber dem Meßsignal auf der doppelten (k2) oder auf der dreifachen (k3) Frequenz arbeitet und so diese Verzerrungskomponenten herausfiltert. Damit die Verzerrungsanteile nicht am unteren Rande des Diagramms verschwinden, werden sie um 10dB angehoben. (Diese Änderung ist gegenüber länger zurückliegenden Tests zu beachten.)

Ermittlung des Klirrgrades

Der Klirrgrad ergibt sich aus dem Abstand des Nutzsignals (obere Kurve) zum jeweiligen Klirrpegel (eine der zwei unteren Kurven). Liegt die Klirrkurve -20dB unter der Nutzsignalkurve (Schalldruckverlauf), so liegt der Klirranteil bei -30dB (10dB Anhebung wird korrigiert), -30dB entsprechen 0,031 bzw. 3,1%.

Für die Bewertung sollten nur Klirrwerte herangezogen werden, die nicht tiefer als 46dB (im Diagramm 36dB!) unter dem Schalldruckverlauf liegen. Unterhalb -46dB & 0,5% wird die Meßunsicherheit zu groß.

(3) Raumeinflüsse

Bedingt durch die Messung unter wohnraumähnlichen Bedingungen, ergeben sich in dem Schalldruckverlauf auch typische Einflüsse des Raumes, die durch stehende Wellen (Raumresonanzen) hervorgerufen werden. Da die harmonischen Verzerrungen mit einem gleitenden Sinus als Meßsignal ermittelt werden, zeigen sich diese Raumresonanzen auch im Schallpegelverlauf der Lautsprecher.

Die JBL l90 stehen ganz hinten links hinter dem schrägen Holzbalken unter den Dachflächenfenstern

Anmerkung : Hier sind wir eigentlich beim wichtigsten Thema von all den genannten Themen, dem Raum.

Und hier habe ich ein ganz prägnantes Beispiel, die JBL L90. Es sind sogenannte "Studio Monitoren", jedenfalls möchte der Hersteller diese Type in diese Rubrik einordnen, das sei absolut verkaufsfördernd. Ich habe diese beiden Boxen - ein Pärchen!! - gekauft, vor vielen vielen Jahren. Mehr steht hier. Und die Erfahrung war sehr durchwachsen und anfänglich richtig frustrierend. In dem großen Musiksaal bei mir ganz oben unterm Dach klingen sie nur in einer einzigen Ecke. Und das habe ich erst durch Zufall und viel frustrierendes Probieren herausgefunden. In einem normalen quadratischen oder recheckigen Wohnraum von ca. 24qm bekommt man sie nur seltenst zum "Klingen".

Wie bewerte ich also solche Lautsprecher "fair und/oder real" in einem der "Brehschen Tests" im Test- oder Vergleichs-Regal?

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Aufmerksame Leser unserer Zeitschrift werden dieses bereits festgestellt haben: In allen Kurven findet man Schalldruckspitzen bei 29, 62 und 125Hz (bei 0° Meßwinkel auch 152 Hz). Andererseits wird bei 35 und 75Hz (beides bei 0°) sowie 95 und oft bei 250Hz vom Raum ein Schalldruckminimum produziert.

Bei höheren Frequenzen nehmen diese Effekte merklich ab
, so daß Frequenzgangfehler dort allein dem Lautsprecher angelastet werden können.

Bei der Bewertung des Klirrgrades sind diese Raumeinflüsse übrigens auch zu berücksichtigen. Die Raumresonanzen verstärken auch die ungewünschten Obertöne. In der k2-Kurve findet man daher oft Spitzen gerade bei 58, 31, 62 und 76Hz und in der k3-Kurve bei 21, 42, 51Hz. Diese Klirrspitzen müssen etwas milder beurteilt werden.

(4) Verzerrungen im Hochtonbereich

Harmonische Verzerrungen im Hochtonbereich sind nicht direkt hörbar (Ultraschall), sie sind daher auch nicht direkt für die klangliche Beurteilung heranzuziehen. Jedoch lassen sich aus den harmonischen Verzerrungen Rückschlüsse auf Differenztonverzerrungen ziehen, dieses wiederum aber auch nur bedingt. Verzerrungen oberhalb von 7kHz (hier hört bei manchen Meßschrieben die k3-Kurve auf) lassen sich sehr gut auf eine andere Weise ermitteln.

Wenn der Lautsprecher im Hochtonbereich sauber arbeitet, so liegt die Schalldruckkurve „Harmonische Verzerrungen" (üblicherweise Bild 1) genau 10dB über der 0°-Kurve des Rundstrahlfrequenzganges (Bild 2). Liegt die Kurve im obersten Frequenzbereich nur 9, 8 oder sogar nur 5dB über der anderen Kurve, so werden sehr laute Impulse im Hochtonbereich nicht mehr mit voller Dynamik wiedergegeben, dabei können sich zischelnde Klangbreieffekte ergeben, die dann aber eher in den Präsenzbereich verschoben sind.

(5) Frequenzgang und Rundstrahlverhalten

Beispiel : Heco P7302 SLV-K

Der eigentliche Frequenzgang des Lautsprechers kann eher aus diesem Schalldruckverlauf ermittelt werden, genauer aus diesen drei Schalldruckverläufen. Diese werden nicht nur auf der Abstrahlachse des Lautsprechers, sondern auch hierzu um 20° und 40° angewinkelt gemessen.

Lautsprecher werden nur selten genau auf den Hörplatz ausgerichtet (was auch gar nicht optimal sein muß!). Bei schräger Abstrahlung ergeben sich aber aufgrund der Richtwirkung der Lautsprecher (entscheidend im
Hochtonbereich) unterschiedliche Frequenzgänge.

Üblicherweise fällt der Frequenzgang in den Höhen mit zunehmendem Winkel stärker ab. Auch im Baßbereich ergeben sich unterschiedliche Kurven, da bei dieser Messung die Mikrophonposition verändert wird. Der Einfluß stehender Wellen im Raum wirkt sich an verschiedenen Mikrophonstandorten anders aus. Der eigentliche Frequenzgang sollte daher durch Mittelung aller drei Kurven aus diesem Diagramm abgeleitet werden. Einflüsse durch sehr hohe Lautstärke sind durch den niedrigeren Meßpegel gegenüber dem Diagramm „Harmonische Verzerrungen" ausgeschaltet.

(6) Idealer Frequenzgang

Der Frequenzgang sollte möglichst linear verlaufen. Das bedeutet (wenn man von Raumresonanz - siehe oben - abstrahiert), daß keine Einbrüche oder steile Pegeländerungen auftreten sollten. Ein leichter gleichmäßiger Abfall zum Hochtonbereich hin ist kein Fehler, wird manchmal sogar gewünscht. Anstiege im oberen Hochtonbereich sind unnötig bzw. unschön, verstärken nur das Rauschen und das Risiko, den Hochtöner durch Überlastung zu zerstören. Soll der Lautsprecher verfärbungsarm arbeiten, so ist auch auf einen gleichmäßigen Frequenzgangverlauf aus den angewinkelten Meßpositionen zu achten. Ein gleichmäßiger Abfall wird gehörmäßig meist besser beurteilt als eine Berg- und Talfahrt bei 40°-Hörwinkel.

(7) Richtwirkung

Da je nach Anordnung der Lautsprecherchassis auf der Schallwand die Richtwirkung nach links und rechts, sowie liegend und stehend anders sein kann, werden bei Bedarf mehrere Messungen veröffentlicht.

Das Rundstrahlverhalten ist insbesondere in horizontaler Ebene interessant, da es die „Ausleuchtung" der Hörzone wiedergibt. Die vertikale Richtcharakteristik wird bedeutend, wenn der Lautsprecher zu tief oder zu hoch angeordnet ist und nicht zum Hörer hin gekippt werden kann. Bei liegender Box entspricht aber die vertikale Richtcharakteristik der horizontalen bei stehendem Betrieb (entsprechendes gilt bei stehender Anordnung).

(8) Mindestbetriebspegel; praktische Betriebsleistung

Die Wichtigkeit dieses Wertes wird viel zu oft unterschätzt. Dieser Wert gibt den Wirkungsgrad des Lautsprechers wieder und damit den Leistungsbedarf bzw. die notwendige Verstärkergröße. Der angegebene Pegel bzw. Leistungswert gibt an, wieviel Leistung der Lautsprecher schluckt, wenn man „so nebenbei" etwas Musik hört.

Will man Original- ähnliche Lautstärken erzeugen, so sind bei kurzzeitigen Impulsen 10 bis über 15dB mehr „Saft" notwendig, für die Leistung bedeutet das das 10- bis über 31-fache der angegebenen praktischen Betriebsleistung!

Der Mindestbetriebspegel gilt für 91dB in 1m Abstand. Da die Hörposition immer weiter als 1m entfernt ist und zudem manche Räume akustisch stark bedämpft sind (den Schall „schlucken") kann man 4 bis über 7dB hinzurechnen, um am Hörplatz 91dB zu erreichen.

Für Lautstärkespitzen sollte man zudem ca. 104 dB SL einkalkulieren, das heißt nochmals ca. 13dB hinzuaddieren. Wenn es die Nachbarn nicht stört, kann man also für eine hochwertige HiFi-Wiedergabe durchaus (7 + 13dB =) 20dB mehr veranschlagen (lOO-fache Leistung!), als die praktische Betriebsleistung angibt. Deshalb scheint die Bezeichnung "Mindestbetriebspegel" hier auch eher angemessen.

Unter üblichen Wohnbedingungen kommt man mit gut 10dB mehr übrigens auch schon aus (der Nachbar wird es danken). Bei Hintergrundmusik reicht sogar 10dB weniger (ein Zehntel der Leistung) für Spitzenimpulse voll aus.

(9) Die Impedanz

Der Frequenzgang der Impedanz gibt Rückschlüsse auf die Belastung des Verstärkers durch den Lautsprecher. Je höher die Impedanz ist, desto geringer ist der Strombedarf des Lautsprechers, desto verzerrungsärmer arbeitet der Verstärker, desto seltener spricht die elektronische Strombegrenzung des Verstärkers an (kurzzeitige Verzerrungen), desto geringer sind die Anforderungen an die Lautsprecherkabel.

Als Nennimpedanz ermitteln wir einen Wert aus der 2-, 3-, 4-, 6-, 8Ohm-Reihe, der an keiner Stelle im Frequenzbereich um mehr als 20% unterschritten werden darf (entsprechend DIN).

Die elektrische(n) Baßresonanz(en) lassen Rückschlüsse auf die untere akustische Grenzfrequenz und auf Ein- Ausschwingeffekte im Baß (Baßbumser) zu. Bei geschlossenen Lautsprecherboxen gibt es nur eine Resonanz, unterhalb dieser Resonanz fällt der Frequenzgang mit 12dB pro Oktave ab.

Bei Lautsprecherboxen mit Ausgleichsöffnung oder passiven Strahlern kann man zwei elektrische Resonanzen feststellen, eine für das Lautsprecherchassis, eine für die Ausgleichsöffnung bzw. den passiven Strahler. Je nach Auslegung können zwei akustische Resonanzen oder auch keine (genauer: eine ideal gedämpfte) vorliegen. Unterhalb der unteren Resonanz kippt der Frequenzgang mit 24dB pro Oktave steil nach unten weg, unterhalb der oberen Resonanzfrequenz kann er bei geeigneter Auslegung durchaus noch horizontal verlaufen.

Liegt die Impedanzkurve tief und hat sie eine starke Steigung und Krümmung, so ist die Belastung des Verstärkers groß, da ein hoher und stark phasenverschobener Strom von der Lautsprecherbox aufgenommen oder geliefert (!) wird (letzteres bei Ausschwingvorgängen). Je nach Verstärkerkonstruktion kann dieser Strom aber unter Umständen nicht geliefert bzw. „geschluckt" werden, die elektronische Strombegrenzung spricht an, und der Verstärker verzerrt stark hörbar.

Um so etwas zu verhindern, muß man einen sorgfältig gebauten oder einen um einiges leistungsfähigeren Verstärker vorsehen. (Ein Grund für die klanglichen Unterschiede zwischen sonst gleichwertigen Leistungsverstärkern basiert hierauf.) Als Interpretationshilfe wird bei einigen Impedanzkurven auf die kritischen Bereiche hingewiesen.

(10) Maximaler Schalldruck

Dieser Wert ist nicht allein für Disco-Fans gedacht, die wissen wollen, wie leicht sie sich einen Gehörschaden holen können, sondern auch dazu, um über die Betriebszuverlässigkeit eines Lautsprechers Auskunft zu geben. Je höher der maximale Schalldruck ist, desto mehr Reserve ist vorhanden, bis der Lautsprecher beschädigt wird bzw. extreme Verzerrungen erzeugt. Dieser Wert wird unter Berücksichtigung des von uns ermittelten Wirkungsgrades errechnet. Wie oben bereits erläutert, nimmt der Schalldruck je nach Hörentfernung und Raumeigenschaften ab.

Bei gleicher Abhörlautstärke benötigt man daher für einen großen Raum einen Lautsprecher mit einem höheren maximalen Schalldruck! Dies sollte ein ganz entscheidender Faktor für die Lautsprecherauswahl darstellen. Gibt es doch schließlich hervorragende Lautsprecher, die in größeren Räumen und bei Musik mit besonders hohen Pegelspitzen völlig versagen (müssen).

Er wird errechnet

Der maximale Schalldruck wird aus der vom Hersteller angegebenen Belastbarkeit errechnet. Dementsprechend gibt es einen Wert, der auf Dauer gilt, und einen, der nur noch bei Musik, also Impulsspitzen kurzzeitig „verdaut" werden kann. Über die Sauberkeit des Klanges gibt dieser Wert keine Auskunft.

Genauso wie die Belastbarkeit des Lautsprechers gilt der von uns ermittelte maximale Schalldruck nicht für einen einzelnen Sinuston, sondern für eine der Musik ähnliche Aufteilung der Leistung auf die verschiedenen Lautsprecherchassis!

Wenn man schon von maximalem Schalldruck und Gehörschäden spricht, so sollte nicht unerwähnt bleiben, daß Gehörschäden insbesondere durch Nicht-HiFi-Lautsprecher verursacht werden können. Für Gehörschäden können starke Anhebungen im Frequenzgang und schlechte Richtcharakteristiken verantwortlich sein, und diese sind gerade für zusammengestrickte Disco-Lautsprecher (und Nicht-HiFi-Kopfhörer) typisch.

Bruttovolumen

Das Bruttovolumen wird von zu wenig Herstellern angegeben. Gerade das Volumen des Lautsprechers klassifiziert den Lautsprecher aber weit besser als die unsinnige „Watt"-Angabe. Das Volumen gibt Auskunft über die Plazierungsmöglichkeiten des Lautsprechers im Wohnraum, indirekt aber auch über dessen Baßtüchtigkeit und dessen Wirkungsgrad (wenn dies auch nicht mit absoluter Treffsicherheit allgemein gilt, so doch zumindest innerhalb einer Serie eines Herstellers).

Neben dem Preis sollte daher das Volumen zur Abgrenzung eines Lautsprecherfeldes dienen. Wenn Ihr Fachhändler auf der Wichtigkeit der „Watts" besteht, so suchen Sie sich lieber einen besser geschulten Händler, der in seinem Fach genauer Bescheid weiß.

von a. k. im März 1982
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