Lautsprecher und Akustikdesign im KFZ

Zielsetzung : Ein natürliches Klangbild auch im Auto

0. Technische Darstellung :

0.1  Frequenzgang
0.2  Fourierreihenanalyse
0.3  Impulsantwort
0.4  Amplitudenstatistik der Musik

Ein einwandfreies Klangbild erfordert :

1. Ausgewogenheit :

1.1 Bass, Mitten und Höhen sind gleichmässig intensiv (linearer Frequenzgang)
1.2 Bass, Mitten und Höhen treffen zeitgleich beim Hörer ein (linearer Phasengang)
1.3 Bass, Mitten und Höhen klingen zügig ab (Nachhallzeit)
 

2. Grosses Übertragungsspektrum :

2.1.1 Tiefreichender Bass ohne Überdröhnen
2.1.2 Tiefreichender Bass ohne Auslöschungseffekt mit anderen Chassis
2.1.3 Tiefreichender Bass ohne übertriebenes Nachschwingen

2.2.1 Brillante Höhen durch Qualitätshochtöner
2.2.2 Brillante Höhen ohne Überlagerungeffekt mit anderen Chassis
2.2.3 Hochtonwiedergabe ohne übertriebenes Nachschwingen (scharfes Zischen)
 

3. Verfärbungsfreiheit

3.1 Vermeidung von Frequenzeinbrüchen verursacht durch Abdeckblenden
3.2 Vermeidung von Frequenzeinbrüchen verursacht durch Interferenz mit Reflektion
3.3 Vermeidung von Frequenzeinbrüchen verursacht durch mitschwingendes Trägermaterial
 

4. Stereowirkung (Links / Mitte / Rechts)

4.1 Intensität beider Kanäle in allen Frequenzbereichen beim Hörer
4.2 Zeitpunkt beider Kanäle in allen Frequenzbereichen beim Hörer
4.3 Richtwirkung der Kanäle zum Hörer

Struktur: mehrdimensionale Betrachtung aller Frequenzen bezüglich Intensität, Zeitpunkt, sowie Ausklingverhalten in Raum/Zeit-Ausbreitung



0. Technische Darstellung :

0.1  Frequenzgang

Die Grafik zeigt vertikal die Intensität des abgestrahlten Schalls, horizontal die Frequenz. Das Ideal ist eine horizontale Gerade, der rote Graph zeigt einen hochwertigen Tiefmitteltöner auf der Mittelachse gemessen, der blaue Graph 30 Grad ausserhalb der Achse. Ab 2 kHz ändert sich der Klang richtungsabhängig.

0.2  Fourierreihenanalyse

Das "Wasserfalldiagramm" ist eine dreidimensionale  Darstellung von vertikal : Intensität, horizontal : Frequenz und nach vorn : das Ausschwingverhalten über die Zeit. Die Ausläufer des "Gebirges" signalisieren anhaltende Schwingungen, die in der Regel als Verfärbung deutlich hörbar sind.

0.3  Impulsantwort

Die Impulsantwort (Sprungantwort) der Membran (blau) auf den Impuls (rot) zeigt ein gutes Chassis mit zügigem Ausschwingen. Eine kleine Nase zeigt einen Impulsnachzügler, in einem Mehrwegesystem kann diese Nadel deutlicher ausgeprägt sein und erheblich später kommen (beides unerwünscht).

0.4  Amplitudenstatistik der Musik

Das Bild zeigt die Amplitudenstatistik - Energieverteilung von verschiedener gängiger Popmusik und Klassik. Es zeigt, dass im Hochtonbereich weniger Intensität vorhanden ist, der Bass ist dafür energiereicher. Obertöne charakterisieren die Instrumente, dürfen nicht vernachlässigt werden. Eine kleinere leichte Membran folgt im Hochtonbereich präziser und erfüllt dennoch die Kriterien hinsichtlich Schalldruck und Belastbarkeit.



1. Ausgewogenheit :

1.1 Bass, Mitten und Höhen sind gleichmässig intensiv wiedergegeben (linearer Frequenzgang)
 

Lautsprecherchassis müssen gleichlaut sein (Wirkungsgrad). Die rote Linie zeigt ein ausgewogenes Verhalten.

Die Lage des Einbauorts bestimmt die Ankopplung des Schalls an die Umgebung (Schallführung), damit u.a. die Lautstärke mit.
Eine Abdeckung vor dem Chassis bewirkt eine Abschwächung des Schalls überwiegend bei hohen Frequenzen.

Das vom Hörer weiter entfernte Chassis wird als leiser wahrgenommen. Ausserdem kommt es zu spät (siehe 1.2)




1.2 Ausgewogenheit : Bass, Mitten und Höhen treffen zeitgleich beim Hörer ein (linearer Phasengang)
 
 


 

Sobald zwei Chassis zusammenwirken, spielt die Lage des Einbauorts (möglichst gleiche Entfernung zum Hörer) eine grosse Rolle für das Impulsverhalten, damit ein Musikimpuls auch als EIN Impuls beim Hörer ankommt. Das Bild zeigt eine vereinfachte Prinzipdarstellung, tatsächlich sind es 2 Ohren und jeweils 2 Schallwege, die das menschliche Gehör auswertet.

Das jeweils untere Bild zeigt das zeitlich geordnete Abstrahlverhalten mit seinem positiven Einfluss auf Impulsantwort und Ausgewogenheit auf der gemeinsamen Achse.
Eine Abweichung von der Achse hat auch Einfluss auf den Frequenzgang - siehe 1.1 blauer Graph.
Elektrische Zeitverschiebungen durch Frequenzweichenbauteile sind gesondert zu berücksichtigen.



 

1.3 Ausgewogenheit : Bass, Mitten und Höhen klingen zügig ab (Nachhallzeit)


 

Im Bild ist eine ausgeprägte Resonanz bei 5 kHz erkennbar, in diesem Fall von der Membran, es kann aber auch vom Einbau herrühren. Es liegt in der Natur der Sache, dass tiefe Töne länger nachschwingen, hohe Frequenzen schneller abklingen. Gleichbedeutend neben der Intensität bestimmt auch die Zeitdauer eines Tons die Empfindung. Mitschwingen und Nachschwingen prägen den Eigenklang.
 




 
 

2. Grosses Übertragungsspektrum :

2.1.1 Tiefreichender Bass ohne Überdröhnen
 


 

Die Schallenergie des Lautsprechers wird möglichst komplett nach vorn abgestrahlt und nicht durch "akustischen Kurzschluss" im Bassbereich vernichtet ( vorn abgestrahlte Energie wird durch Undichtigkeit des Gehäuses nach hinten abgesaugt). Das Chassis wird auf eine Schallwand montiert, ihre Aufgabe ist, das Chassis festzuhalten und gleichzeitig die gesamte Schallenergie nach vorn zu bündeln.

Der Lautsprecherkorb sitzt schalldicht auf einer Schallwand. In Verbindung mit dem eingeschlossenen Luftvolumen ergibt sich ein tiefreichender Bass ohne Überbetonung oder ein weniger tiefreichender Bass mit mehr Intensität und Nachschwingen  bei der Resonanzfrequenz. Die rote Linie kennzeichnet das Verhalten bei akustischem Kurzschluss in einem zu offenen Gehäuse. Mehr als eine Oktave geht verloren.




 

2.1.2 Grosses Übertragungsspektrum : Tiefreichender Bass ohne Auslöschungseffekt mit anderen Chassis
 

a) einzelner Lautsprecher
b) zwei Lautsprecher mit Abstand einer Wellenlänge
c) zwei Lautsprecher mit Abstand vierfacher Wellenlänge
Zwei Schallquellen erzeugen Interferenzmuster,  die an Bedeutung gewinnen, je größer der relative Abstand wird.

Wenn ein Zweiwege-System  aufgebaut ist, ergeben sich diese Probleme bei der Übergangsfrequenz : Ist der Hörer ausserhalb der Mittelachse, sind Einbrüche im Frequenzgang zu erwarten (blaue Kurve).

Lautsprecherchassis arbeiten nur dann optimal, wenn sie gemeinsam gleichzeitig in dieselbe Richtung arbeiten.




2.1.3 Grosses Übertragungsspektrum : Tiefreichender Bass ohne übertriebenes Nachschwingen

Das eingeschlossene Luftvolumen sowie Chassisparameter bestimmen die Güte der fundamentalen Bassresonanz.

Schwere Membran und geringe Dämpfung lassen Bässe länger nachklingen.



 

2.2.1 Grosses Übertragungsspektrum : Brillante Höhen durch Qualitätshochtöner, leicht, schnell, präzise.
 
 
 



 

2.2.2 Grosses Übertragungsspektrum : Brillante Höhen ohne Überlagerungseffekt mit anderen Chassis
 
 

Eine schlechte Mitteltonwiedergabe setzt sich im Hochtonbereich fort, auch ein erstklassiger Hochtöner wird überlagert von den Obertönen des Mitteltöners.
 



 

2.2.3 Grosses Übertragungsspektrum : Hochtonwiedergabe ohne übertriebenes Nachschwingen (scharfes Zischen)
 

Die Wahl des Hochtöners und sein Einbau in einen vibrationsarmen Untergrund fernab reflektierender Flächen hält den Übertragungsbereich frei von störenden Resonanzen (siehe auch 3.2)




 

3. Verfärbungsfreiheit

3.1 Verfärbungsfreiheit : Vermeidung von Frequenzeinbrüchen verursacht durch Abdeckblenden
 

Das Luftpolster vor dem Lautsprecher ist elastisch, die Abdeckung verengt den Schallweg und bremst die Schallwellen. Statt die Abdeckung zu passieren, werden hohe Frequenzen in dem Luftpolster abgefedert. Durch die Abdeckung gelangen nur noch wenige hohe Töne mit frequenzabhängig zunehmender Dämpfung .
 



 

3.2 Verfärbungsfreiheit : Vermeidung von Frequenzeinbrüchen verursacht durch Interferenz mit Reflektion

Reflektionen an schallharten Flächen führen zu zusätzlichen Schallumwegen, diese verzögerten Schallanteile mischen sich zum Direktschall und sorgen für Frequenzgangeinbrüche, die viele Frequenzen herausfiltern. Anstelle des Instruments kann ein Lautsprecher den Ton erzeugen, statt des Mikrofons das Ohr des Hörers den Klang aufnehmen.
 



 

3.3 Verfärbungsfreiheit : Vermeidung von Frequenzeinbrüchen verursacht durch mitschwingendes Trägermaterial
 

Newtons Actio/Reactio wirken auch beim Lautsprecher und seinem Unterbau : Das Trägermaterial schwingt mit und kann wegen seiner erheblich grösseren Fläche einen deutlichen Einfluss auf das Gesamtverhalten haben, ähnlich einem Tropfen, der eine Wasseroberfläche zur  Wellenbildung anregt.




 
 

4. Stereowirkung (Links / Mitte / Rechts)

4.1.1 Stereowirkung : Intensität beider Kanäle in allen Frequenzbereichen beim Hörer


Idealvorstellung: Was 2 Mikrofone im Studio aufnahmen, wird durch zwei identische Lautsprecher wiedergegeben. Intensitäts- und Zeitverhältnisse der Lautsprechersignale projizieren scheinbar die Instrumente in den Raum vor dem Hörer, auch zwischen die Lautsprecher. Beide Lautsprecher übertragen alle Frequenzen gleichmässig und richtungsunabhängig.



4.1.2 Die Praxis:


 

Schallwellen der Lautsprecher durchdringen sich und erzeugen Felder unterschiedlicher Intensitätsverhältnisse. 



4.1.3 Richtwirkung

Linke und rechte Spalte im Bild zeigen zwei verschiedene Lautsprecher bei  unterschiedlichen Frequenzen.
Die Richtwirkung der Lautsprecher ist frequenzabhängig, d.h., ein Lautsprecher klingt anders, wenn man ihn aus verschiedenen Winkeln hört.




 

4.2 Stereowirkung : Zeitpunkt beider Kanäle in allen Frequenzbereichen beim Hörer
 
 

Die Änderung der Sitzposition verschiebt Laufzeit- und Intensitätsverhältnisse von Links und Rechts, die Stereo-Ortung wird unpräziser ausserhalb der Mitte.
 
 



 

4.3 Stereowirkung : Richtwirkung der Kanäle zum Hörer
 

Unterschiedliche Hörwinkel zu linkem und rechten Lautsprecher fügen kanalspezifische Klangfarbenunterschiede hinzu, die den Stereoeindruck trüben.
 
 



Laufzeit- und Intensitätsverhältnisse ändern sich auf natürliche Weise mit dem Abstand des Hörers zur Schallquelle. Wird der Schall von verschiedenen Spezialchassis zusammengesetzt, um einen grösseren Tonumfang zu erzielen, spielen geometrische Faktoren zwischen den Chassis eine wichtigere Rolle.
Im Home-HiFi-Bereich kommen die Lautsprecher dem Ideal der punktförmigen Schallquelle weitaus näher und können kompromissloser aufgestellt werden. Auch der Hörer wählt den optimalen Hörplatz.
Im Car-HiFi dagegen muss mit kontraproduktiven Platzierungs-Vorgaben ein gutes Ergebnis erzielt werden. Um dem Musikkonsumenten eine gewohnte Klangqualität auch im Auto bieten zu können,  müssen alle Optimierungsmöglichkeiten ausgeschöpft werden.
 
 

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