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aus KINOTECHNIK Heft 7 / Juli Berlin 1938 - von Heinrich Benecke
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Das Ohr nimmt eine Luftschwingung als Schall wahr, wenn ihre Frequenz zwischen 16 Hz und 20.000 Hz liegt. Alle Frequenzen dieses Bereiches treten in natürlichen Schallvorgängen auf, allerdings mit sehr verschiedener Häufigkeit.

Die gebräuchlichen Apparaturen geben in keinem Falle den ganzen Bereich wieder (wir sindin 1938 !!); die Randgebiete, d. h. sowohl sehr langsame wie auch sehr rasche Schwingungen, fehlen in mehr oder minder großer Breite. Der wiedergegebene Schall muß also schon deswegen vom natürlichen abweichen.

Wie groß der Einfluß der noch fehlenden Frequenzbänder auf das Hörbild ist, wie groß also der Qualitätsgewinn ist, der bei einer Hinzugewinnung bisher unterdrückter Frequenzbereiche zu machen ist, läßt sich durch bloßes Anhören einer vorhandenen Apparatur geringeren Frequenzumfanges schlecht abschätzen.

Der Stand der Wiedergabe erscheint, wenigstens wenn alle vermeidbaren Fehler auch tatsächlich vermieden sind, schon als recht hoch, die Abweichungen vom Original, die an sich deutlich sind, könnten auch auf anderem Gebiet, raumakustischem oder stereoakustischem zum Beispiel, ihre Ursache haben.

Letzten Endes entscheidet erst der Vergleich der verbesserten Apparatur mit der bisherigen, was für den subjektiven Eindruck gewonnen wurde.
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Aus der Anfangszeit des Tonfilms, in der das Fehlen höherer Frequenzen von schmerzhafter Deutlichkeit war, stammt die Gewohnheit, bei einer Erweiterung des Frequenzbandes zuerst an den oberen Bereich zu denken. Ein unbegrenztes Fortschreiten ausschließlich nach dieser einen Seite ist aber nicht zulässig. Zwar bedeutet jede Erweiterung des Frequenzbandes eine Annäherung an die physikalische Richtigkeit, nicht aber mit Sicherheit eine Verbesserung des subjektiven Eindrucks.

Ein Übermaß hoher Frequenzen kommt der Deutlichkeit zugute, aber der Ton wird hell, spitz, scharf. Der Schwerpunkt des Wiedergabebereiches muß in mittleren Frequenzen liegen. Das bedeutet, daß man der Wiedergabe tiefer Töne seine Aufmerksamkeit zuwenden muß.

Die technische Aufgabe ist damit noch nicht vollständig gestellt. Tiefe Töne treten im natürlichen Schall mit sehr viel größeren Leistungen auf als die gleichlaut erscheinenden mittleren Frequenzen. Wäre es nicht so, so würden diese Schwingungen gar nicht gehört werden, da das Ohr im untersten Frequenzband sehr viel unempfindlicher ist als weiter oben.

Die Erfüllung eines großen Raumes mit lautem Schall tiefer Frequenz erfordert also eine beträchtliche Schalleistung. Erst durch das Hinzutreten der Leistungsforderung gewinnt das Problem einen wesentlichen Teil der Schwierigkeiten, die den Fortschritt auf diesem Gebiet solange aufgehalten haben.

Die Wiedergabe tiefer Töne hoher Leistung ist ein Lautsprecherproblem. Den anderen in die Übertragung eingehenden Geräten und Verfahren können tiefe Frequenzen ohne besondere Umstellung abverlangt werden. Den einen Teil der auftretenden Schwierigkeiten, die der Lautsprecher macht, demonstriert ein einfacher Versuch.

Wir betreiben ein dynamisches Lautsprechersystem mit einem Schwingspulenstrom, der von hohen nach immer tieferen Frequenzen gleitet und in seiner Größe konstant gehalten wird. Wir beobachten in hohen Frequenzen eine kräftige Abstrahlung, nach Unterschreiten einer gewissen Frequenz aber eine rasche Verkleinerung und schließlich praktisch ein Verschwinden der Schalleistung.

Da die aufgenommene Leistung im wesentlichen konstant geblieben ist, bedeutet das, daß der Wirkungsgrad sich unterhalb der kritischen Frequenz schnell verschlechtert.
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Setzt man das System nunmehr in eine Schallwand von 1 x 1m Größe, so rückt die kritische Frequenz herunter; etwa bis 100 Hz haben wir volle Abstrahlung.

Darunter tritt wiederum ein rasches Versiegen ein. Eine Schallwand von 2 x 2m verschiebt die kritische Frequenz bis 50 Hz. Volle Wiedergabe bis zu 30 Hz herunter erfordert etwa 3,3 x 3,3 mSchallwandfläche.

Läßt man diese Größe zu - und ohne recht beträchtliche Abmessungen geht es in keinem Falle ab -, so ist der gleichbleibende, wenn auch nicht eben große, Wirkungsgrad bis herunter zu diesen tiefen Frequenzen gesichert.
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Bessere Strahlungseigenschaften als die Schallwand liefert ein Exponentialtrichter. Er gibt also auch die Möglichkeit, den Wirkungsgrad weiter zu steigern. Das ist an sich sehr erwünscht, denn jede Steigerung des Wirkungsgrades setzt die erforderliche Verstärkerleistung herab, gestattet also schließlich mit einem Verstärker kleinerer Type zu fahren.

Auf der anderen Seite erhalten wir nun auch noch nach der 3. Dimension einen bedeutenden Raumbedarf. Man könnte versuchen, die Vorzüge und Nachteile der beiden Möglichkeiten: Schallwand oder Trichter, gegeneinander nach irgendwelchen Gesichtspunkten abzuwägen. Aber eine eindeutige Entscheidung ergibt sich von selbst, wenn wir nunmehr die zweite Seite des Tiefton-Großlautsprecher- Problems betrachten.
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Wir wiederholen unseren Versuch, bei dem ein dynamisches Lautsprechersystem mit einem abwärts gleitenden Ton erregt wird. Wir setzen ausdrücklich voraus, daß die Resonanzfrequenz sehr tief, jedenfalls unterhalb des betrachteten Frequenzbereiches liegen möge.

Das bedeutet, daß die Einspannung der Membran so weich ist, daß sie die Bewegungen nicht merklich hemmt. Wir beobachten diesmal die Ausschläge der Membran. Sie sind in höheren Frequenzen mit bloßem Auge nicht sichtbar, aber sie vergrößern sich beim Herabgleiten nach tieferen Tönen und erreichen schließlich enorme Werte, obwohl die Antriebskraft stets dieselbe bleibt.

Bei einem Lautsprecher (-Chassis) mittlerer Größe (20cm Membran-Durchmesser) und einigen Watt Erregung ist die Amplitude für 100 Hz bereits von der Größenordnung 1mm. Sie wächst quadratisch mit abnehmender Frequenz; bei 30 Hz beträgt sie daher schon 10mm, der Gesamtausschlag der Membran 2cm!

Zu dieser riesigen Amplitude gehört nun aber, wenn die Schallwand unzureichend ist (wir nennen das inzwischen den akustischn Kurzschluß), nur eine verschwindende Schallstärke, während sich in der großen Schallwand der relativ geringen elektrischen Erregung entsprechend eine noch keineswegs imponierende Schalleistung ergibt.
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Wollte man für größere Theater die eindrucksvolle Wiedergabe der tiefen Frequenzen auf diesem Wege erzielen, so müßte man statt einiger Watt einige 100 anwenden. Da die Amplitude mit der Quadratwurzel aus der Leistung geht, so würden wir nunmehr schon auf Gesamtausschläge von etwa 20cm kommen!

Es ist klar, daß das Magnetsystem dieses Lautsprechers unmögliche Dimensionen annehmen müßte, aber vor allem gibt es kein für die Membranführung geeignetes Material, das diese enorme Wechselbeanspruchung auch nur entfernt aushielte.
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Es ist dies ersichtlich eine Schwierigkeit, die nur im Lautsprecher selbst behoben werden kann. Keine Maßnahme im Verstärker z. B. kann etwas daran ändern, daß schließlich die Lautsprechermembran die geforderte große Schalleistung abstrahlen muß.

Diese Leistung ist, wie wir sahen, proportional dem Quadrat der Amplitude, sie ist ferner proportional dem Strahlungswiderstand; erhöht man also den Strahlungswiderstand, so kann man mit kleineren Amplituden auskommen.

Vergrößerung des Strahlungswiderstandes läßt sich durch Vergrößerung der Membran erzielen. Aber die Membranvergrößerung findet sehr bald eine Grenze am Instabilwerden der Membran; ein Membrandurchmesser von 50cm wird besser nicht überschritten.

Für die 50cm-Membran wird der Strahlungswiderstand rund 40mal so groß wie bei der Membran von 20cm Durchmesser, die notwendigen Amplituden fallen mit dem Faktor 6, der Gesamtausschlag ist nur noch etwa 3cm. Aber auch dies ist noch viel zu viel.

Somit bleibt als stärkstes Mittel zur Steigerung des Strahlungswiderstandes der Trichter. Für die 50cm-Membran und eine Frequenz von 30 Hz liefert der Trichter theoretisch fast das Hundertfache des Strahlungswiderstandes wie die unendliche, d. h. mindestens 10m2 große Schallwand.

Die notwendige Amplitude geht also nochmals rund um den Faktor 10 herunter. Wenn wir daran festhalten, daß alle die vorangegangenen Zahlen nur die Größenordnung andeuten sollen, so können wir sagen: die für die Erzeugung der beabsichtigten tiefen Töne hoher Leistung notwendigen Membranamplitude beträgt nunmehr einige Millimeter. Das ist aber eine gewohnte und durchaus beherrschte Größenordnung. Der neue Lautsprecher kann also nur ein Trichterlautsprecher sein.
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Der nach diesen Überlegungen entwickelte Tieftonlautsprecher für die Euronor-Apparatur besitzt ein dynamisches System mit einer Membran von 48cm Durchmesser, die auf 22 Hz abgestimmt ist.

Die Kleinheit der Rückstellkraft hat zur Folge, daß die Einspannung das Gewicht der Membran nicht mehr trägt. Es mußte daher eine Zusatzeinrichtung geschaffen werden, die die Membran in ihrer Ruhelage hält, ohne bei der Schwingungsbewegung zur Rückstellkraft merklich beizutragen.

Die Vorrichtung besteht in einer hinreichend langen, am schmalen Ende des Konus angreifenden Spiralfeder. Die Eigenschwingungen der Feder sind durch einen innen gepolsterten Zylinder, der in loser Fühlung über der Spirale steht, gedämpft.

Die Gesichtspunkte für die Bemessung der Schwingspule und der Feldstärke sind bei dem Tieftonsystem wesentlich anders als bei normalen Lautsprechern, worauf nicht im einzelnen eingegangen werden kann. Das Schwingspulenvolumen und damit der Luftspalt sind verhältnismäßig groß. Der Feldmagnet muß dementsprechend sehr kräftig sein. Das System kommt daher auf ein Gewicht von 130 kg.

Der Trichter ist exponentiell und besitzt eine Grenzfrequenz von 30 Hz. Die vordere Öffnung, die bei strenger Anwendung der Theorie ebenso wie die entsprechende Schallwand die Abmessung 3,30 x 3,30m haben sollte, bleibt hinter diesem Wert zurück, nachdem Versuche ergaben, daß die Verluste erst bei erheblichen Verkleinerungen praktisch ins Gewicht fallen.

Insbesondere wird hierbei - im Gegensatz zur Schallwand - nicht die untere Grenzfrequenz heraufgesetzt, sondern nur bei an sich unverändertem Wiedergabebereich das mittlere Niveau der Abstrahlung geringfügig vermindert. Der Trichter ist rechtwinklig gebogen, so daß die Bautiefe nur 1,70m beträgt.
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Dem Tiefton-Lautsprecher werden die Frequenzen bis herauf zu 250 Hz zugeführt. Von hier ab übernehmen Hochtontrichter-Lautsprecher die Wiedergabe, deren Systeme von einer älteren Apparatur übernommen werden konnten, während die Trichter selbst verändert, insbesondere gestreckt wurden, was eine verstärkte Wiedergabe höchster Frequenzen ergibt.

Diese erscheint jetzt als unbedenklich infolge des kräftigen Gegengewichtes sehr tiefer Töne. Es sind vier Hochtontrichter vorgesehen, die schwenkbar auf dem Tieftontrichter befestigt sind, so daß durch einmalige Einstellung eine gleichmäßige räumliche Verteilung hoher Frequenzen entsprechend der Platzanordnung des betreffenden Theaters erzielt werden kann.

Die Verbesserung der Wiedergabegüte durch die Erweiterung des Tieftonbereiches ist über Erwarten groß. Sie wird nicht nur vom geschulten Ohr, sondern, wie praktische Erprobungen gezeigt haben, auch vom Laien unmittelbar und stark empfunden.
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