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EINEM PIONIER DER LAUTSPRECHERENTWICKLUNG - VON FRANZ SCHÖLER

In den vorangegangenen Folgen dieser „KlangBild"-Serie über Probleme des Lautsprecherbaus kamen bisher Dr. Oskar Heil (Entwickler des „air-motion transformier"), Dezember 1976, Friedrich Müller (Konstrukteur des Backes & Müller Monitor V nach dem Prinzip der kapazitiven Membranabtastung), Januar 1977, und Klaus-Dieter Heinz (Entwickler von Direktstrahlern für die Berliner Firma Arcus), März 1977, zu Wort. Diesmal bringen wir ein Gespräch mit Paul W. Klipsch, einem der „grand old men" der High-Fidelity-Industrie und wohl bekanntesten Vertreter des Horn-Prinzips für Lautsprecher.

Klipsch, laut „Consumer Electronics Monthly" Elektroingenieur, Geophysiker, Colonel, Meisterschütze, Experte für Lokomotiven, Audio-Ingenieur und Entwickler des berühmten Klipschorn, ist vielleicht einer der genialsten Bastler unter allen Lautsprecher-Konstrukteuren, und daß er sein Klipschorn prinzipiell nicht verändern werde, solange sich nicht die Physik ändere, gehört zu seinen bekanntesten Aussprüchen.

Eine seiner wichtigsten Erkenntnisse - daß man die Klangverfärbungen in Lautsprechern, die aufgrund von Amplitudenmodulation entstehen und zu sogenannten Partialschwingungen führen, soweit wie möglich reduzieren müsse - ist bis heute nicht überholt.

Bekannte Entwickler wie Dr. Oskar Heil oder Raymond Cooke haben diese Tatsache immer wieder aufgrund physikalisch-theoretischer Überlegungen und praktischer Messungen bestätigen können. Das folgende Gespräch führte „Klang-Bild"-Autor Franz Schöler mit Paul Klipsch anläßlich seines Besuchs im Juni dieses Jahres (1977) in Frankfurt.

• „We recognize the fact that distortion is approximately inversely proportional to efficiency and that high and uniform eff iciency relates to 'flatness' or uniformity of output with respect to frequency or so-called flat response'. After making thousands of response and distortion measurements we realize the truth of these relationships. So ... weaver that qualityis proportional to efficiency. Aren't you glad we build efficient loudspeakers?"

Paul Klipsch („... der Grad an Verzerrung ist annähernd umgekehrt proportional dem Wirkungsgrad ... Wir behaupten, daß Qualität proportional dem Wirkungsgrad ist...")

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Könnten Sie uns zunächst erzählen, wie in groben Zügen die Entwicklung des Lautsprechers verlief?

Die Literatur über Lautsprecher datiert mindestens auf das Jahr 1919 zurück.
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• 1919 - Damals veröffentlichte Dr. Webster eine Studie über das Horn-Prinzip in Verbindung mit Edisons Phonograph.
• Grundsätzliche Arbeiten über das Horn und den Direktabstrahier publizierten auch Hanna und Slepian von der Westinghouse Company. Ihre Studie aus dem Jahre 1924 war ziemlich gut. 1925 entwickelten Rice und Kellogg den ersten Direktstrahler.
• 1928 schrieb Kellogg eine andere Arbeit über hohe Lautstärken bei tiefen Frequenzen. Hohe Leistung bedeutete damals 1 Watt! Und die gemeinte tiefe Frequenz war 30 Hz. Er beschrieb verschiedene Arten, wie man damit arbeiten könne, darunter auch das Horn als ein Gerät mit hohem Wirkungsgrad.
• 1928 - Der große Durchbruch kam Ende der zwanziger Jahre mit der Erfindung des Tonfilms bzw. der Platte (genannt Nadeltonfilm), die als Illustrationsmusik zu Filmen gespielt wurde.
• Harry F. Olson von RCA (Anmerkung : Harry F. Olsen: “The RCA Victor Dynagroove System”) entwarf - der Legende nach auf der Rückseite eines Briefumschlags - einen tubenähnlichen Lautsprecher, der ein gefaltetes Tiefton-Horn war.
• 1936 - Altec wurde gegründet, als Western Electric (Patenthalter des „Westrex"-Klangsystems für den Tonfilm, Anm. d. KlangBild Red.) an der amerikanischen Westküste, an der die Filme bekanntlich in Hollywood gemacht wurden, einen Hersteller für Tonfilmwiedergabe brauchte.
• James B. Lansing gründete die Firma, und die Tochterfirma dieser Gesellschaft nannten sie Electric Research Products Company.
• 1941 - Diese entwickelte sich in eine neue Company mit dem Namen „All Technical Services", abgekürzt „Altec Lansing". Es war nicht schlecht, was die damals bauten. Douglas Shearer von der Filmfirma MGM schlug damals Zweiweg-Lautsprecher vor. Seine Schwester war übrigens der damals berühmte Hollywoodstar Norma Shearer.
• In den frühen dreißiger Jahren experimentierten die Bell Telephone Laboratories mit einem System, das heute als „Stereophonie" bekannt ist. Sie veröffentlichten eine ganze Reihe von Studien über das Problem der Hör-Perspektive im Januar 1934. Meiner Meinung nach ist dieses Bündel von Studien immer noch das „Alte Testament von Audio und High-Fidelity".
• Was immer man über Audio-Aufnahme und High-Fidelity kapiert haben muß - angefangen bei Mikrofonen bis hin zu guten Lautsprechern, geometrischen Anordnungen bei der Aufnahme und Wiedergabe -, ist in diesen fundamentalen Arbeiten schon enthalten.

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Der erste Lautsprecher, den ich baute, sollte einen Frequenzumfang von 50 bis 800 Hz haben. Er hatte aber nur einen von 100 bis 200 Hz. Als ich genug über Formen der „Mund-Öffnung" des Horns gelernt hatte, begriff ich auch, daß dieser Lautsprecher niemals Frequenzen bis 800 Hz würde abstrahlen können. Aber durch Verfeinerung erreichte ich wenigstens, daß er bis 400 Hz reichte.

Mein erstes Mittelton-Horn - ob Sie's glauben oder nicht - funktionierte sehr gut und war ein Erfolg. Und mein zweites Tiefton-Horn, das ich in meinem Leben baute, wurde der Prototyp für die Hörner, die wir heute noch benützen. Das zweite Mittelton- oder, wenn Sie so wollen, Hochton-Horn war ein kompletter Fehlschlag. Es war nämlich gefaltet, und der Frequenzgang wies furchtbare Buckel auf. Anstatt es richtig durchzumessen und für fernere Generation aufzubewahren, hab' ich's
verbrannt. Leider.

Mein drittes Mittel-Hochton-Horn war so gut, daß wir es 18 Jahre lang benutzten, nämlich genau so lange, bis die Patente daran ausliefen. Zu dem Zeitpunkt fand ich ein besseres Hörn für diesen Frequenzbereich. Und zwar im Papierkorb eines Konkurrenten: als Entwurf. Ich glaube, es war Phil Williams von Jensen, der sagte: „Oh, das ist ein Horn, das wir für eine andere Gesellschaft entwickelt haben. Aber denen ist das zu gut, und es kostet zuviel. Warum nehmt ihr den Prototyp nicht mit nach Hause und spielt ein bißchen damit herum?"

Wir probierten das Horn aus, es war sehr gut. Sie gaben uns die Patente und fanden eine Company, die das Ding für uns baute, und verkauften uns später sogar die Patente für ein Zehntel dessen, was sie die Entwicklung und Patentierung gekostet hatte! Als auch die Patente daran ausliefen, entwickelten wir neue Hörner, die auf diesem Design basierten, nämlich unsere 100er-Serie von Hörnern, die heute noch Verwendung finden.
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Haben Sie das benutzte Prinzip in diesen letzten dreißig Jahren seit 1946 so verfeinert, daß man von wesentlichen Änderungen sprechen kann?

Nein, es waren nur Detailsachen. Die Verbesserungen bezogen sich meist auf die Treiber-Konstruktion.

Glauben Sie, daß das Horn-Prinzip das absolute und beste ist ?
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• Anmerkung : Hier an dieser Frage erkennt der aufmerksame Leser, daß auch im Bereich der Physik und der Akustik einiges mit „GLAUBEN" zu tun hat. Ich hätte die Frage mit „Woher wissen Sie, daß ...." eingeleitet.

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Wir begannen diese Serie über Lautsprecher mit der programmatischen Behauptung von Dr. Oskar Heil, daß es kein absolutes Prinzip der Wandlung von elektrischen in akustische Signale gebe. Daß es mehrere Wege gebe, einen möglichst exakten elektroakustischen Wandler zu entwickeln.
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Ja, letzteres ist natürlich die Hauptaufgabe: Luft so exakt bewegen zu können, daß das konservierte Signal in seine ursprüngliche Form zurückverwandelt wird.

Das heißt aber auch: mit den minimalsten aller möglichen Verzerrungen und Klangverfärbungen! Ich kann beweisen, daß das Horn um ein Vielfaches weniger Verzerrungen aufweist als die typischen Direktstrahler, die heute massenweise gekauft werden. Man kann einen Direktstrahler bauen, der noch weniger Verzerrung aufweist als ein Horn, aber der würde ungeheuer groß - und viel teurer!

Der Wirkungsgrad der Direktstrahler heute liegt bei rund 5%. Manche behaupten, man könne auch Direktstrahler mit 10 oder 20% Wirkungsgrad bauen, aber die möchte ich erst einmal sehen.

Bei Hornsystemen ist dieser hohe Wirkungsgrad leicht zu erzielen, sogar 40% sind möglich. Nach all meinen Erfahrungen und Messungen sind Wirkungsgrad und Verzerrungen aller Art umgekehrt proportional zueinander: Bei höherem Wirkungsgrad reduziert man die Verzerrungen, und je geringer der Wirkungsgrad eines Lautsprechers, um so höher die Verzerrungen und letztlich die Klangverfärbungen.

Verglichen mit einem Direktstrahler von 1% Wirkungsgrad, sind die Verzerrungen bei einem Hornlautsprecher von „nur" 10% Wirkungsgrad zehnmal geringer! Es ist meiner Meinung nach sinnvoller, verzerrungsarme Lautsprecher hohen Wirkungsgrads als 1000-Watt-Verstärker mit großen Leistungsreserven zu bauen. Ich spreche ungern über Lautsprecherkonstruktionen anderer Entwickler.

Aber nehmen wir einmal den Heil-„air-motion transformer". Die gemessenen Verzerrungen sind tatsächlich sehr, sehr gering, ähnlich wie die eines Mittel-/Hochton-Horns. Aber der Wirkungsgrad ist nicht so hoch. Darum ziehe ich persönlich den Horn-Typ vor. Für den Mitten- und den Hochton-Bereich benutze ich in all unseren Lautsprechern das Hornprinzip.
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Welches sind die wichtigsten Gründe für Unlinearitäten und Verzerrungen in Lautsprechern?

Schon die Nachgiebigkeit der Membrane in Abhängigkeit von der Art der Aufhängung ist nicht linear. Wenn man in einer grafischen Darstellung Auslenkung und aufgewendete Kraft zueinander ins Verhältnis setzt, ergibt sich eine S-förmige Kurve. Es müßte aber eine gerade Linie sein!

Die Auslenkung der Membrane ist also nicht überall direkt proportional zur aufgewandten Kraft. Das heißt, während des Wandlervorgangs treten Amplitudenmodulationsverzerrungen auf. Viele Boxenkonstrukteure reden oft von „harmonischen Verzerrungen" im Lautsprecher. Worauf ich sage: na und ?

Die Musik ist voll von harmonischen Verzerrungen, und wenn ein Lautsprecher die nicht absolut getreu wiedergibt, ist das nicht so gravierend im Höreindruck wie die Verzerrungen infolge unkorrekt ausgeführter Amplituden der Auslenkung. Die Nichtlinearitäten, die die harmonischen Verzerrungen einführen, produzieren auch Modulationsverzerrungen.

Stellen Sie sich einmal folgendes vor :
Man gibt zwei Frequenzen f1 und f2 auf den Lautsprecher. Abgestrahlt aber werden nicht nur f1 und f2, sondern auch f1 + f2, F1 - f2, f1 + 2f2, f1 - 2f2 und so weiter.

Die Frequenzen modulieren sich beim Ein- und Ausschwingvorgang der Membrane - wobei Frequenz und ihre Amplitude jeweils eine Rolle spielen. Die unerwünschten Mischprodukte bringen den „harschen" und unnatürlichen Klang und führen auf Seiten des Zuhörers zu Ermüdungserscheinungen. In vielen Direktstrahlern übertrifft der Anteil der Amplitudenmodulationsverzerrungen bei weitem die Verfärbungen durch Frequenzmodulationen, in anderen, allerdings sowieso verzerrungsfreieren Lautsprechern ist der Anteil an Verzerrungen durch Frequenzmodulation höher.

Die Gesamtverzerrungen bei einem Klipschorn sind sehr gering, und die Verzerrungen, die überhaupt bei diesem Lautsprecher auftreten, entstehen fast ausschließlich durch Frequenzmodulation. Man hat - meiner Meinung nach mit dem nicht ganz korrekten Begriff Doppler-Verzerrungen - auf Klangverfärbungen hingewiesen, die dadurch entstehen, daß Membranauslenkungen unterhalb des Hörbereichs bei sagen wir einmal 14 Hz (wie sie durch Baßeigenresonanzen von der Tonarm/Tonabnehmer-Kombination entstehen können) die von derselben Membrane abgestrahlten höheren Frequenzen modulieren.

Durch Bewegungen der Membrane im subsonischen Bereich treten also auch Klangverfärbungen auf, die „motional distortion". Man muß sich auch darüber klarwerden, daß alle auf den Plattenspieler unerwünschterweise einwirkenden mechanischen und akustischen Erschütterungen ihrerseits eine Bewegung der Membrane auslösen können und oft auch tun. Unhörbare Frequenzen modulieren so die hörbaren! Man hört dann Sachen, die nicht dabein sollten.
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Kann man durch einen Equalizer Nichtlinearitäten des Lautsprechers kompensieren ?

Nein, man kann zwar die Amplitude von Spannung gemessen gegen Frequenz equalizieren, aber nicht die einem Lautsprecher inhärenten Verzerrungen.

Ich will es einmal mit einem Vergleich aus der Fotografie beschreiben: Wenn man ein Foto mit einer schlechten und nicht absolut klar und tiefenscharf einzustellenden Linse aufgenommen hat, wird das Bild zwangsläufig unscharf und verschwommen sein. Jetzt hat jemand mal vorgeschlagen, eben dieses Foto durch dieselbe Linse zurückzukopieren, um so das aufgenommene Objekt in seiner ganzen Schärfe wiedererstehen zu lassen. Das geht aber nicht. Das Foto wird nur doppelt so unscharf!

Verzerrungen häufen sich nur, sie löschen sich nie kompensierend aus. Ich mag nicht mal einen Lautsprecher-Frequenzgang durch Equalizer linearisieren, weil man ihn nicht wirklich für jeden Punkt des Hörraums perfekt equalizieren kann, wie die eingangs genannten Grundsatzstudien der Bell Telephone Laboratories ausführlich dargelegt haben.

Durch einen grafischen Equalizer kann man unter den nun mal gegebenen Raumverhältnissen womöglich mehr verschlechtern als verbessern! Um es pointiert zu formulieren: Man equaliziert das Klangbild perfekt fürs rechte, aber nicht fürs linke Ohr.

Physiker behaupten, innerhalb der Membrane entstehen während der Bewegung, also Auslenkung durch tonfrequente Wechselspannung, schon materialbedingte Klangverfärbungen. Denn das Material ist nie so steif und bewegt sich nicht so uniform, daß Reibungen innerhalb des Materials ausgeschlossen wären. Eine absolut homogene Bewegung wäre aber die Voraussetzung für Verzerrungsfreiheit.

Okay, wenn sich eine Membran bewegt, produziert sie Verzerrungen. Das kann man mit einer mathematischen Formel exakt erfassen, und die Tatsache läßt sich überhaupt nicht verhindern. Der Trick kann dann nur darin bestehen, die Amplitude der Auslenkung so klein wie möglich zu halten; wobei natürlich der erzeugte Schalldruck ungeheuer klein wird.

Man muß ihn wieder „verstärken", und das tut das Horn! Durch eine definierte Menge Luft wird die Membrane „geladen", so daß sie keine so großen Auslenkungen durchführen kann. Diese von einer relativ kleineren und damit verzerrungsfreier arbeitenden Membrane in Bewegung gesetzte Luft ergibt den saubereren Klang. Bei Direktstrahlern muß die Fläche immer weiter vergrößert werden, aber der Richteffekt wird - beispielsweise gerade bei Elektrostaten - immer stärker.

Es gibt viele - auch viele kontroverse - Methoden, Lautsprecher in ihrer technisch gesehenen Wiedergabequalität zu messen. Warum ist dann das Ohr immer noch absolut gesehen das beste „Meß "-Instrument für die klangliche Beurteilung von Lautsprechern ?

Das Ohr ist letzten Endes der Richter, aber ein schrecklich armseliges Meßgerät. Es hat einen Dynamikumfang von 120 dB und unter günstigen Umständen eine Empfindlichkeit (Anmerkung : oder meint er Linearität ??) von ±3dB; Meßgeräte sind da weitaus empfindlicher.

Als wir zunächst Lautsprecher gemessen haben, ermittelten wir den Frequenzgang, also Spannung gegen Frequenz gemessen. Der Lautsprecher mit dem glatteren Frequenzgang war meßtechnisch gesehen der bessere, aber der mit dem buckligeren Frequenzgang klang vielleicht besser.

Die Frage war: warum?! So fanden wir heraus, daß Modulationsverzerrungen ungleich ungünstiger für das gehörte Klangbild sind als harmonische Verzerrungen.

1943 veröffentlichten zwei Jungs bei RCA, Bears und Belar, eine Studie über Frequenzmodulationen in Lautsprechern, die auf langwierigen und komplizierten Messungen basierte.

Ein Beiprodukt der Rüstungstechnik des Zweiten Weltkriegs war der Spectrum-Analyzer, mit dem man die Modulationsverzerrungen eines Lautsprechers in vierzig Sekunden messen konnte.

Erst als ich 1967 in einer langen Studie darlegte, daß Modulationsverzerrungen den „schmutzigen" Klang verursachen, begann sich die Erkenntnis auf breiter Basis bei Entwicklern durchzusetzen.

Natürlich kritisierte man mich. Eine Zeitschrift behauptete sogar, Modulationsverzerrungen seien ein Papiertiger, und selbst wenn sie existierten, könnte man sie nicht hören. Aber ich konnte das Gegenteil beweisen.

Grob gesprochen, kann man Amplitudenmodulationsverzerrungen, die durch unterschiedliche Auslenkung der Membran bei diversen Frequenzen entstehen, mit der „transient intermodulation distortion" (TIM) von Verstärkern vergleichen.

Eine zu geringe Anstiegs- und Einschwingzeit (slew rate und rise time), mit der das Signal den Verstärker durchläuft, ist - wirklich grob analog gesprochen - ähnlich den durch verzögertes Einschwingen der Membrane verursachten Klangverfälschungen.

Das Ohr hört solche Formen von Verzerrungen ungeheuer genau. Ich muß gestehen, daß ich das letztes Jahr (1976) noch nicht geglaubt hätte. Aber jetzt weiß ich es.

Wir haben Messungen bezüglich TIM an Verstärkern durchgeführt, und ich muß sagen: Ich mit meinen 73 Jahre alten Ohren (das sagt Klipsch in 1977 - geboren 1904) konnte diese winzigen Verzerrungsanteile infolge von „transient intermodulation" hören.

Durch einen Lautsprecher, der selber 1% Verzerrung macht!!! Das Ohr ist ein kritisches Meßinstrument. Es gibt uns keine Prozentzahlen an, aber es sagt uns, ob Verzerrungen da sind oder nicht. Ja, das Ohr ist - jedenfalls für einen geschulten Zuhörer - das beste Bewertungsinstrument. Am Ende ist es ja auch das Ohr, das man klanglich zufriedenstellen will.
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Die spezifische Akustik eines Raums spielt doch eine große Rolle, und sie kann bekanntlich auch gute Lautsprecher schlecht „klingen" lassen.

Okay, wir leben in Räumen, und es gibt sicher gute und schlechte Räume für Musikwiedergabe über eine HiFi-Anlage. Aber erstens möchte ich ein Symphonieorchester nie in einem schalltoten Raum hören. Zweitens muß ich gestehen, daß ich jenseits der Grundsatzstudien der Bell Telephone Laboratories und der Tatsache, daß alle Lautsprecher in Ecken besser klingen, nicht viel über Raumakustik weiß. Das Problem werde ich in den nächsten Monaten genauer studieren müssen, denn ich möchte in meinem eigenen Abhörzimmer Aufnahmen mit meiner Frau Valerie machen.

Lautsprecher-Entwickler machen auch Kompromisse, denn das Endprodukt muß ja vermarktbar sein.

Meine Antwort darauf? Ein absolutes Design-Kriterium für den ersten Lautsprecher, den ich baute, war, daß er durch eine Haustür "transportierbar" sein mußte!

Würden Sie sagen, daß Lautsprecher - leider - noch nicht die Wiedergabequalität der heute so hochgezüchteten Verstärkerelektronik besitzen? Mir kommt die Verstärker/Lautsprecher-Kombination immer so vor, als würde man an einen Maserati einen großen Wohnwagen anhängen.

Das ist eine interessante Analogie. Ich gebe zu, daß ein Lautsprecher wie unser Klipschorn bei 100dB Schalldruck eine totale Modulationsverzerrung von 1% aufweist, und dabei handelt es sich um einen sehr guten Lautsprecher. Verzerrungen von 1% in einem Verstärker wären so unerträglich, daß man die Wände hochgehen würde.

Es ist aber trotzdem merkwürdig, daß ein Lautsprecher bei 1% Klirr noch immer passabel klingt und außerdem Verzerrungen des Verstärkers durch Intermodulation in der Größenordnung von einigen hundertstel Prozent hörbar macht!

Ich habe einen Freund in Boston, der sofort den Unterschied zwischen einem Marantz 9 und einem Mackintosh-60-Verstärker hören konnte. Er hatte ein HiFi-Studio, ließ den Kunden beliebig umschalten und konnte in 99 von 100 Umschalt-Fällen genau sagen, welcher Verstärker spielte. Er konnte nicht inhaltlich beschreiben, worin nun der Unterschied bestand, er hörte ihn einfach.

Eines möchte ich aber noch sagen: Früher hat man den Lautsprecher als schwächstes Glied einer HiFi-Anlage bezeichnet. Heute sind die Aufnahmen in ihrer Multikanal-Technik für meine Begriffe so unnatürlich, daß man von wirklicher Klangtreue im Vergleich zu einem live erlebten Symphoniekonzert kaum noch reden kann.

Das Interview wurde von Franz Schöler im Sommer 1977 gemacht.
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