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Ein Interview mit dem Lautsprecher-Entwickler Oskar Heil - Von Franz Schöler im Herbst 1976

Die Gesetzmäßigkeiten der mechanischen und akustischen Physik sind in größerem Maße bekannt als die Probleme der Psychoakustik. Trotzdem werden sie bei der Entwicklung von Lautsprechern noch nicht so weit in die Praxis umgesetzt, daß dieser Baustein einer HiFi-Anlage eine ähnlich hohe Klangtreue besäße wie die „elektronischen" Teile der Anlage.

Man versucht material- und konstruktionsbedingte Fehler zu beseitigen, hängt aber oft noch falschen Vorstellungen nach, und manche Ideen für qualitativ weit bessere und aus physikalischen Gründen klanggetreuere Boxen wurden nie realisiert, weil sie den Herstellern zu kostspielig erschienen.

Das ist das Fazit eines Interviews, das unser Mitarbeiter Franz Schöler auf der Düsseldorfer hifi 76 mit dem deutschamerikanischen Lautsprecher-Entwickler Dr. Oskar Heil führte. Wir drucken hier auszugsweise einige der wichtigsten Passagen des Interviews ab und werden uns bemühen, andere prominente Entwickler von Lautsprechern in Diskussionsbeiträgen zu den angesprochenen Problemen Stellung nehmen zu lassen.

Welche Probleme der Klangwiedergabe waren für Sie als Entwickler die offensichtlichsten ?
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Man kann einen Lautsprecher als Informationsübertrager betrachten. Dann wird man die Güte der Übertragung immer subjektiv beurteilen im Vergleich von Originalinformation und deren Reproduktion. Man kann den Lautsprecher aber auch als Energiewandler sehen und seine Güte am Wirkungsgrad messen. Nun ist aber der Wirkungsgrad von Lautsprechern so schlecht, daß man sich als Ingenieur eigentlich schämen müßte, denn er beträgt nicht mehr als 0,5% bis 1% im Verhältnis zur aufgewendeten Leistung.

Die Devise der Industrie lautete nun bisher: dämpfen, dämpfen und nochmals dämpfen. Wer mehr dämpfte, mehr „Sirup dranschmierte", das weichere Papier verwendete, der hatte den „besseren" Lautsprecher.

Dadurch ging der Wirkungsgrad noch immer weiter runter. Man kann aber für High-Fidelity-Wiedergabe einen anderen Weg beschreiten, und zwar indem man die Dämpfung so weit wie möglich eliminiert und den Wirkungsgrad erhöht. Denn Dämpfung hat den Fehler, daß sie zu Verzerrungen führt.

Wo liegt dann das Hauptproblem?

In den Verzerrungen und materialbedingten Verfärbungen. Die sind durch Frequenzänderungen charakterisiert. Grundsätzlich ist es so, daß sie Energie aufwenden, um Schallenergie zu erzeugen. Was sie erzeugen wollen, sind aber keine Sinustöne, sondern Gleittöne, die rauf und runter gehen.

Für diese Veränderungen während des Gleitens ist das Ohr so ungeheuer empfindlich, daß man auch bei einem so schlechten Übertrager wie dem Telefon sofort wiedererkennt, wer am anderen Ende der Leitung spricht, denn die Gleitcharakteristik ist bei jeder Stimme und jedem Instrument unterschiedlich. Wenn der Lautsprecher dieses Gleiten nicht absolut exakt reproduziert, klingt er nicht natürlich, sondern wie ein Lautsprecher.

Grundsätzlich spielt hier auch die Frage des exakten Einschwingens mit: Die Membrane kann die elektrische Energie nicht in der benötigten Minimalzeit in Schallenergie wandeln, weil die Membrane die Energie erst einmal „speichert", bevor sie sich in Bewegung setzt.
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Heißt das, daß alle möglichen Formen von Membranen - dynamische, elektrostatische, magnetostatische usw. - Verfärbungen wegen des nicht korrekten Einschwingvorgangs aufweisen?

Ja, sobald Energie gespeichert und nur mit zeitlicher Verzögerung genutzt wird, kommt es zu Verzerrungen und einem irgendwie verwaschenen Klangbild.

• Anmerkung : Diese pauschale Aussage (das obige Ja) ist leider falsch. Bei den elektrostatischen Lautsprechern ist die Membran-Masse mindestens genauso gering wie bei dem Heil Hochtöner. Der Elektrostat steht dem Heil Wandler insofern in nichts nach. Der Nachteil der Elektrostaten ist der geringe Hub der Membranfläche im Vergleich zu der Zieharmonika des Heil Konstruktes.

Je größer die Schwinggeschwindigkeit der Membrane, um so weniger verfärbt ist das Klangbild. Das gilt auch, wenn die Schallgeschwindigkeit in dem antreibenden Material höher ist, die gespeicherte Energie also geringer. Diese Eigenschaft nennt man „Transient response".

• Anmerkung : Hier weicht der Entwickler Dr. Heil auf einmal auf den Basslautsprecher aus, der mit dem Air Motion Transformer wenig gemeinsam hat.

Besonders im Bereich der oberen Bässe und der Mitten machen sich Verfärbungen so kraß bemerkbar, weil das Ohr im Bereich von 300 bis 1000 Hz eine ungeheure Empfindlichkeit hat und eine sehr große Fähigkeit besitzt, sehr kleine Zeitdifferenzen aufzulösen und zu unterscheiden.

Die Qualität meines neu entwickelten Full-range-Tieftöners liegt vor allem darin, daß sich der Schall durch die Graphitstäbe, an denen die Membranen befestigt sind, mit einer Geschwindigkeit von zehntausend Metern pro Sekunde fortpflanzt und die massebedingte Resonanz außerhalb des Übertragungsbereichs des Tieftöners liegt, weil der durch eine Frequenzweiche begrenzt wird. Die untere Resonanz des Prototyps, den Sie hier in Düsseldorf gesehen haben, liegt bei 13 bis 14 Hz, also außerhalb des Hörbereichs.
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Gehen Sie bei der Konstruktion dieser „air-motion transformer" also von grundsätzlichen physikalischen - akustischen und mechanischen - Gesetzmäßigkeiten aus?
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Ja, und von einfacher Logik. Es gibt zwei Arten der Entwicklung. Die erste bezeichnet man im Englischen mit „Cut and Try" - Spiel und Versuch (ANmerkung : im Allgemeine ist das aber unter "try and error" bekannt, also Versuch und Fehler).

Die ganze Entwicklung ging in diese Richtung. Kein Mensch hat sich wirklich überlegt, was Akustik wirklich ist, nämlich Elastokinetik!

Verzerrungen kommen nun nicht von der elastischen oder der kinetischen Energie, sondern erstens, wie schon gesagt, durch unerwünschte Energiespeicherung. Die größten Verfärbungen aber rühren von der Dämpfung her. Wenn man filziges Material nimmt, dämpft das deshalb, weil sich die Fasern aneinander reiben. Wenn man eine Membrane anregt, reiben die Fasern aneinander, die Resonanzfrequenz ist also stark bedämpft. Jetzt wird die Amplitude kleiner, und man kommt an den Punkt, an dem (wo ??) die Fasern nicht mehr aneinander vorbeirutschen, sondern kleben bleiben. In diesem Moment wird die reibende Kraft durch eine verstärkte elastische Kraft ersetzt, weil sich die Fasern stärker bewegen und die Dämpfung wegfällt, sie also sehr schwach bedämpfte Resonanzen erhalten.

Als Physiker sagt man sich jetzt: Nehmen wir doch einfach Plastikmaterial, das eine starke innere Dämpfung hat. Das ist aber kein Ausweg, wenn man sich überlegt, woher die Dämpfung im Plastikmaterial rührt, nämlich daher, daß die gummiartigen Moleküle aneinander reiben. Man hat die makroskopische Faser durch eine mikroskopische Fiber ersetzt.

Durch diese Reibung Atom für Atom entsteht jedesmal eine Kugelwelle, die ja Energie ist, Wärmeenergie, Dabei steigt die Elastizität an. Bei Experimenten haben die Entwickler der Boxenfirma "Kef" mikroskopische Fotos gemacht. "Raymond Cook" regte einen dynamischen Lautsprecher mit einem Reckteck-Impuls an, der bekanntlich sämtliche Frequenzen enthält. Dann ließ er den Schall abfallen, wobei man auf dem Foto erkennen konnte, daß sich quer über die Membrane ein richtiges Mini-Gebirgsmassiv zog. Das war der Punkt, an dem die Resonanzen steil ansteigen. Die Resonanzen bringen eine Frequenzänderung mit sich, also nichtlineare Verzerrungen, die durch das Material und den Aufbau bedingt sind. Wenn Energie aufgespeichert wird, ist das schon schlecht. Aber die Energie ändert jetzt ihre Frequenz, und für solche Frequenzänderungen ist das Ohr ungeheuer empfindlich, weil der Mensch im Laufe seiner Evolutionsgeschichte das Überleben durch sein gehörmäßiges Wiedererkennungsvermögen lernen mußte. Mit anderen Worten: Dämpfung bringt Verzerrung.

Ist das der Effekt, den Paul Klipsch meinte, als er sagte, je größer die Bedämpfung und je geringer der Wirkungsgrad, um so höher sind die Verzerrungen?

Ja, aber Paul Klipsch hat gerade das nicht erkannt. Sie kennen doch meinen Mittel-Hochtöner im Prinzip ?! Als ich dem Paul den Air-Motion Transformer zeigte, sagte er: Das ist ein sehr guter Lautsprecher, aber eines hast Du verkehrt gemacht, Du müßtest den Schall nach hinten eliminieren.

Da habe ich ihn gefragt, was er denn machen würde, wenn ich an den Boden einer Stradivari einen Sack hängen würde, den ich mit Dämpfungsmateriai gefüllt hätte. Das hat nie jemand gemacht, aber man kann voraussagen, daß die Stradivari dann nicht mehr gut klingt. Dieses Problem der Bedämpfung ist auch mir erst allmählich klargeworden.

Um das noch einmal zusammenzufassen :
Erste Verzerrungen treten durch stagnierende Energie auf, also stehende Wellenenergie, die zu Resonanzen führt.

• Anmerkung : Um das obige zu verstehen, betrachtet man einfach einen ganz normalen Kalottenhochtöner, der ja hinten völlig dicht ist und damit kann hinten kein Schall austreten. Das hatte auch der Ingenieur Siegrfied Linkwitz gewußt, als er (fast) alle Chassis nach beiden Seiten offen in die Box (besser gesagt = in den Ständer) einbaute und verblüffende akustische Erfolge erzielte. Ähnliches geschieht auch bei der Abdeckung von Schallstrahlern mit Lochblechen oder anderen (geschnitzten Holz-) Blenden oder Verkleidungen.

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Diese Resonanzen sind nicht beschränkt auf die Membrane, sie treten auch in der Luft auf, weil die freie Luft als Trichter wirkt.

Dazu kommen frequenzverändernde Verzerrungen, die von der Bedämpfung herrühren. Im Idealfall muß man auf sämtliche Bedämpfung verzichten.
In der Natur - d. h. bei der Stimme oder beim Instrument - wird auch nichts bedämpft, da klingt alles natürlich, frei und offen.

Der Trick aller Lautsprecher-Hersteller aber ist: bedämpfen und nochmals bedämpfen. Ich vergleiche das mit der Besteigung eines Berges: Man steht vor einer steilen Wand und kann nicht auf den Gipfel klettern, weil man die Dämpfung nicht rausschmeißt.

Noch eines kommt hinzu: Die geringe Schallgeschwindigkeit in der Membrane rührt von ihrer geringen Dicke her. Außerdem ist die Steifigkeit der Membrane nicht konstant. Betrachte ich sie im Zustand der Schwingung, so ist sie in einer Richtung wesentlich steifer als in der anderen. Bei frequenzabhängiger Veränderung der Energie entsteht das, was ich den „Effekt der singenden Säge" nenne.

Der Abstimm-Mechanismus einer singenden Säge funktioniert so, daß ich das Sägeblatt stärker biege, wenn ich will, daß sich die Fortpflanzungs- geschwindigkeit in der Breite des Sägeblatts erhöht, also der Ton höher wird.

Bei einer konischen Membrane, bei der ja die Wellen von innen nach außen gehen, entstehen aufgrund dieses Effekts glockenförmige Schwingungen, sprich Resonanzen, und damit nichtlineare Verzerrungen. Diese Verfärbungen sind vielleicht sogar die wichtigsten, weil sie sich während der Erregung der Membrane auch dauernd ändern und den Klang verwaschen machen.
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Haben dynamische Lautsprecher - und die sind heute die gebräuchlichsten, weil mit geringstem Kostenaufwand produzierbaren - dann unausrottbare Mängel ?
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Ich muß Ihnen eines sagen: Ich spreche ungern von High Fidelity bei Lautsprechern, richtiger wäre der Begriff Right Fidelity, also tatsächliche Klangtreue.

Die muß so groß sein, daß das Ohr theoretisch auftretende Mängel nicht mehr feststellen kann, weil es ja auch seine Grenzen hat. Lautsprecher darüber hinaus zu perfektionieren wäre sinnlos. Mit der High Fidelity ist es in der Lautsprecherentwicklung noch so wie bei Medizinmännern, die eine Krankheit nicht erklären können. Da hat man gesagt, am Freitag müsse man soundsoviele Gebete sprechen, oder wenn's regnet, muß man das und jenes tun - alles Aberglaube. Und der spukt noch überall herum und verwirrt den Käufer noch dadurch, daß jeder behauptet, ein ideales Prinzip gefunden zu haben.

Der eine Entwickler sagt: Mein Lautsprecher geht bis 25 kHz, der andere: Meiner aber bis 30 kHz - und beide behaupten, das verbessere die „Transient response". Das ist absoluter Unsinn, denn solche Frequenzen hört man nicht.
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Bei der BBC in England haben Forscher Lautsprecher-Tests mit einer ausgewählten Gruppe von 15 bis 20 Personen durchgeführt, die ausgesprochen musikalisch waren und alle ein sehr gut geschultes Ohr besaßen. Denen hat man im Frequenzumfang unterschiedlich beschnittenes Programm-Material vorgeführt, und es zeigte sich, daß nur einer unter ihnen war, der feststellen konnte, wann der Umfang bei 13 kHz abgeschnitten war.

Über 13 kHz waren Modulationen nicht mehr feststellbar, man nahm nur wahr, daß „etwas da war oder nicht", konnte aber die Frequenzen nicht mehr unterscheiden. Aber der Unsinn wird in der Literatur immer weiter geschrieben. Wir sind so stark in Denkmustern eingefahren, daß wir uns von solchen Konventionen kaum befreien können.

Wahr ist, daß das Ohr Frequenzen oberhalb 13 kHz nicht mehr so stark unterscheiden kann. Vom Standpunkt des Audio-Ingenieurs könnte man zynisch sagen: Es ist halt schlecht vom Schöpfer oder der Evolution entwickelt worden. Nonsens. Nicht der Entwickler, das Ohr zählt!
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Wie sieht das Problem denn bei den tiefen Bässen aus? Man kann und will ja auch einen Orgelton von 32 Hz hören in der Kirche.

Ja, das kann man, und wenn ein Lautsprecher den mit entsprechendem Schalldruck noch reproduzieren kann, klingt er nicht unangenehm. Aber man kann auch die höheren Harmonischen von einem tiefen Ton reproduzieren und den tiefen Ton ganz weglassen, und man hört ihn trotzdem. Den Effekt kennen die Orgelbauer schon seit sehr langer Zeit und benutzen ihn.

Sie können Aufnahmen machen, wie das ein Bekannter von mir in einer katholischen Kirche in San Francisco gemacht hat; auf dem Band sind die tiefsten Frequenzen nicht mehr da, aber man hört sie! Das Ohr bzw. das Gehirn ergänzt sie. Wie, weiß ich nicht.

Das Ohr hat überhaupt interessante Eigenschaften. Seine Fähigkeit zur Zeitunterscheidung geht in die Mikrosekunden. Deswegen können wir auch Richtungen hören. Man hat Versuche mit Schwebungen gemacht. Man gab auf ein Ohr einen bestimmten Ton und auf das andere, akustisch absolut isolierte Ohr einen von diesem nur ganz minimal verschiedenen. In der Luft gab es keine Schwebungen, das Ohr aber nahm sie wahr, das heißt, das Nervensystem hat die Fähigkeit zu solchen Unterscheidungen.
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Wie sind Sie auf das Prinzip des „air-motion transformers" gekommen?

Vom Prinzip her könnte eine Membrane ungeheuer schwer sein und trotzdem klanggetreue Wiedergabe bieten, wenn sie keine inneren Resonanzen hat. Man könnte sogar Backsteine verwenden und die bewegen, aber dazu hat ein Verstärker eben nicht die genügende Kraft!

Sobald Resonanzen auftreten, beginnen die Schwierigkeiten. Da ist erstens der Mangel an „Transient response" (Einschwing- Genauigkeit) und dann das Problem der Gleittöne. Sobald Resonanzen auftreten, hat man eine variable, frequenzabhängige Steife der Membrane.

Ich bin nicht von Fehlern konventioneller Lautsprecher ausgegangen, sondern von der Frage, wie man mit mechanischen Mitteln aufgrund physikalischer Erkenntnisse die Luft möglichst resonanzfrei bewegen kann.

Ich war selber überrascht, daß der Fullrange-Tieftöner soviel besser klang als die normalen Woofer.
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Glauben Sie denn, das definitive Prinzip zur Klangreproduktion gefunden zu haben?

Nein, ich arbeite an der Entwicklung einer ganzen Reihe anderer Möglichkeiten; es gibt deren so viele. Man kann nicht ein Prinzip verabsolutieren.

Welcher Motor die Kraft erzeugt, ist im Grunde nicht so wichtig. Aber man forscht nach dem besten Motor. Die dynamische Anregung, die man jetzt konventionellerweise benutzt, ist relativ schlecht, weil nämlich die Magneten und der Aufbau schlecht sind, und die Entwickler wissen das und arbeiten ständig an Verbesserungen. Beim Magneten sind die Streufelder meist größer als das Nutzfeld. Das läßt sich verbessern, indem man Doppelmagneten benutzt und die Streufeldenergie reduziert. Anderes ist materialbedingt und schlicht eine Frage der Ökonomie.

• Anmerkung : Der Neodym Magnet mit der "Zumischung der seltenen Erden" wurde erst so um 1985 entdeckt und patentiert. Mit solch einer Magnetfeldstärke würde ein Dr. Heil vor Freude fast ausrasten, denn die Kraft ist bis zu 50 mal stärker als mit den in 1977 bekannten Magnet-Materialien.

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Sie glauben also, daß bei der Konstruktion von Lautsprechern fundamentale Gesetze der Physik noch nicht genügend berücksichtigt wurden und daß aus wirtschaftlichen Gründen - ein Lautsprecher muß ja auch ein vermarktbares und verkäufliches Produkt sein - nur ein Aufwand bis zu einer gewissen Grenze getrieben werden kann?

Nein, wenn man in größeren Serien fertigen kann und die Investitionskosten für die Werkzeuge zur Herstellung der Teile sich durch Massenproduktion amortisieren, wird man auch qualitativ weit bessere Lautsprecher bauen können. Ich bin auch nicht dafür, zu schnell in die Produktion zu gehen, weil oft noch feine Verbesserungen möglich sind, wenn man nur logisch nachdenkt und grundsätzlictie Fehler erkennt.

Leider gibt es ja auch den Effekt, daß man sich an etwas gewöhnt und das als das Beste empfindet. Außerdem ist es mit dem Gehör ähnlich wie mit der Intelligenz. Da gibt es einfach Unterschiede, und man kann das Gehör ja auch verbilden oder nicht bis zu den Grenzen der theoretischen Möglichkeiten entwickeln. Andererseits hat es nur Sinn, Lautsprecher so gut zu entwickeln, daß wir damit an die Grenze der Unterscheidungsfähigkeit des menschlichen Ohres kommen. Weitere Verbesserungen sind sinnlos.

Aber diese Grenze haben wir noch lange nicht erreicht. Verbesserungen, die über die Empfindlichkeit des menschlichen Ohres hinausgehen, sind überflüssig. Man kann den Wirkungsgrad - und da bin ich mit meinem „air-motion transformer" bei 12 bis 15 Prozent angelangt - noch weiter erhöhen, sagen wir bis 30 Prozent. Darüber hinaus wird es eigentlich auch sinnlos, denn die Verstärkerleistung kostet ja nicht so viel.

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