Lautsprecher: Richtig oder falsch?

Ich hab mir wieder mal etwas überlegt. Wieso klingt eine Wiedergabe über Lautsprecher nicht wie die Musik im Konzertsaal (ohne Elektronik, versteht sich)?

Dazu bin ich vor über 40 Jahren in einem Experiment darauf gestossen, dass bei der Wiedergabe die Einhaltung der Kurvenform eine grosse Rolle spielt. Wenn man ein Klavier über einen Limiter auf Tonband aufnimmt, sodass keinerlei Pegeldifferenz mehr möglich ist und dieser Aufnahme das Ein- und Ausschwingen des Instrumentes mit der Schere abschneidet, so ist es immer noch mehr oder weniger als Klavier zu erkennen. Wenn man dieses Bandstück aber rückwärts abspielt, ist die Kurvenform ja auf der Zeitachse gespiegelt. Die einzelnen Teilfrequenzen bleiben aber in der Stärke unverändert. Das Klavier klingt nur jetzt nicht mehr nach Klavier, sondern hat irgendwie Drehorgel-Charakter.

Zweitens: Wenn ich im Konzert ein Violinsolo höre, so ist der Klang ausgeglichen und das Instrument erscheint mir trotz relativ grossem Hörabstand präsent. Ich habe das Gefühl, ich höre es dort, wo es sich auch wirklich befindet.
Wenn ich eine Tonbandaufnahme (kann auch eine Digitalaufnahme sein, macht keinen Unterschied) über normale gute Lautsprecher abhöre, ist entweder die Geige "verschleiert" und wirkt, als stände sie viel weiter entfernt. Oder ich versuche durch eine nähere Mikrofonaufstellung und/oder Equalizer die Präsenz und die Höhen zu betonen. Dann wird meist das Instrument "blechig-penetrant". Es schiebt sich in den Vordergrund und lässt den Wohlklang vermissen.
Ich habe allerdings mit einem Lautsprecher mit Plasmahochtöner die Erfahrung gemacht, dass die Geige natürlich geklungen hat.

Drittens gibt es Lautsprecher, die mit einer Reihe von Allpässen versuchen, die Phasenprobleme durch unterschiedliche Einbaupositionen auszugleichen. Klanglich vermögen sie aber oft nicht zu überzeugen.

Und viertens gab es (gibt es noch?) zur Mono-Bildung in Studios sogenannte 90 Grad Filter. Diese werden durch Allpassketten gebildet, die durch unterschiedliche Zeitkonstanten untereinander eine Phasendifferenz von 90 Grad bewirken.
Dass dies nicht mit einzelnen Allpässen geht, dürfte klar sein, es braucht immer eine ganze Reihe solcher Dinger. Allerdings wurden sie aus den Studios grösstenteils verbannt, weil sie den Klang negativ beeinflussen.

Auf den ersten Blick sieht es nun aus, als gäbe es bei dieser Aufzählung keine Gemeinsamkeiten. Tatsache ist aber, dass zumindest Punkt 1, 3 und 4 eines gemeinsam haben, nämlich die Phasenfehler.

Jetzt meine Überlegung und die Frage FALSCH ODER RICHTIG?

Dazu eine Grafik der Membranposition eines Lautsprechers (20cm Mittel-Tieftöner bei 1kHz) im Verhältnis zum Schwingspulenstrom.


Die Ausgangslage ist folgende: Ich starte den sinusförmigen Lautsprecherstrom bei NULL und die Membranposition ist auch null. So, wie der Strom ansteigt, wird die Membran nach aussen bewegt. Weil bei dieser Frequenz der Masse-Anteil der Membran überwiegt, bewegt sich die Membran nicht allzu rasant. Irgendwann hat der Strom seinen Höchstwert erreicht, was die grösste Kraft auf die Membran bewirkt, sodass diese am stärksten beschleunigt, also die Kurve die grösste Steilheit aufweist.
Ich glaube, bis hierher sollte meine Aussage noch unbestritten sein.

Wenn jetzt der Strom wieder abnimmt, nimmt auch die Kraft auf die Membran wieder ab, sodass damit die Beschleunigung abnimmt und folglich die Membran irgendwann ihren Maximalpunkt erreicht hat. Dies dürfte bei Strom Null sein.
Ob das noch stimmt?
Jetzt wird der Strom negativ und damit wird eine negative Beschleunigung gestartet, sodass die Membran allmählich von ihrem positiven Maximum in Richtung negativ bewegt wird.
Ist das noch nachvollziehbar?
Obwohl die Membran noch in der Abwärtsbewegung ist, tritt schon wieder ein positiver Strom auf. Dieser positive Strom verringert die negative Membrangeschwindigkeit und bewegt die Membran letztlich wieder Richtung Plus.
Kann man sich das vorstellen?
Und damit würde ja die Frequenz beim Einschwingen nicht gleich stimmen. Wie weit wäre sowas hörbar?

Dazu eine Ergänzung: Man kann die Membranbewegung mit einem aufgeklebten Mini-Mik verfolgen (oder Stroboskop). Dabei ist zweifelsfrei festzustellen, dass im eingeschwungenen Zustand unterhalb der System-Eigenresonanz KEINE Phasendrehung auftritt, oberhalb der Eigenresonanz aber die 180 Grad Drehung entsteht, die ich hier angesprochen habe.

Und es versteht sich von selbst, dass während des Einschwingvorgangs die Membran nicht schon vom Start weg "falsch" funktionieren kann.


Meine eigentliche Frage ist nun:
Ist das richtig und denkbar, was ich denke? Gibt es dazu andere Untersuchungen (meine Idee habe ich nicht weiter nachgeprüft)?

Bis hierher wäre es ja noch einfach. Was ist, wenn zwei Sinussignale unterschiedlicher Frequenz gleichzeitig über einen Lautsprecher abgestrahlt werden? Oder was ist mit komplexeren Formen wie bei "meinem" Klavier?
Wie wird sich hier die Kurve verhalten und wie weit oder wenig gleicht das Resultat dem zugeführten Signal?

Ist es folglich möglich, dass die resultierende "Phasenverwirrnis" zu dem eben erwähnten undurchsichtigen Klang führen?
Es wäre eine Erklärung, weil die 90 Grad Filter und die Phasenkorrekturen mit Allpässen nicht gerade klangfördernde Massnahmen sind.
Und es wäre eine Erklärung dafür, dass der Plasmahochtöner die Violine so bringt, wie sie klingen soll, weil er praktisch massefrei arbeitet und somit keine Masseträgheit mit der entstehenden Phasenproblematik besitzt.


An dieser Stelle noch ein paar Worte zu den Allpässen.
Es ist Tatsache, dass die Differenz zwischen einem verzögerten und einem unverzögerten Sinussignal (je nach Zeitdifferenz und Frequenz) zu Phasenfehlern führt. Das verzögerte Signal für sich ist so phasenrein wie das unverzögerte. Auch das ist Tatsache.
Eine weitere Tatsache ist, dass eine Kette von OPV ein Signal verzögert, etwa bei einem analogen Tonpult. Allerdings ist da die Verzögerung pro OPV bei etwa 1 Mikrosekunde.
Tatsache ist aber auch, dass bei einer Allpasskette, welche die Verzögerung nachbilden soll, beim Start eines Sinus möglicherweise bei dieser Frequenz das Signal invertiert wird, obwohl es eigentlich nicht invertiert an der Allpasskette anliegt. Und das Signal wird nur phasenmässig korrigiert (gegenüber einem möglicherweise schon anliegenden verzögerten Signal), aber nicht zeitlich. Somit stimmt der Phasenverlauf der beiden Signale im eingeschwungenen Zustand, aber nicht beim Einschwingvorgang.

Dies wiederum bedeutet, dass ein Lautsprecher, der irgendwelche Allpässe zur Verzögerungsnachbildung bei einem gleitenden Sinus einen einwandfreien Frequenzgang liefert, der aber bei komplexen Signalen Töne von sich gibt, die nicht das Geringste mit der ursprünglichen Signalform zu tun haben.


Meine erste Frage wie erwähnt: Habe ich richtig gedacht? Und meine zweite Frage: Wie müsste ein korrekter Lautsprecher gebaut sein und gibt es Möglichkeiten, so etwas zu bauen, das ohne die Fehler der bisherigen Konstruktionen auskommt?

Hallo richie,

richi44 schrieb:

Es ist natürlich unendlich schwierig, die einzelnen Nervensignale des Ohrs zu kontrollieren und herauszufinden, ob die Nervenzellen ein "Sinussignal" abgeben oder ein Signal "Ich werde so stark bewegt".

die Nervenzellen sind (1-Bit) Analog/Digitalwandler und geben folglich Binärsignale aus. Sie wandeln die Intensität des mech. Reizes in eine Frequenz um, ähnlich wie Spannungs/Frequenzwandler in der Elektronik (mechano-elektrische Transduktion).
Die gesamte "natürliche Signalverarbeitung" erfolgt digital.
s.a:
http://de.wikipedia.org/wiki/Innenohr#Vom_Schall_zum_Nervenimpuls

http://de.wikipedia.org/wiki/Aktionspotential

Gruß
Franz