Analoges Aktivfilter für die Aurichal (AAA)

Die Aktivfilter für die Aurichal wurden zunächst mittels eines HifiAkademie-DSPs entwickelt. Damit lassen sich die Filtercharakteristika sehr einfach und flexibel per Mausklick einstellen, was mit einer analog aufgebauten Filterschaltung unmöglich ist. Der Nachteil ist, dass ein analog-digital Wandler und dann nochmal ein digital-analog Wandler im Signalweg liegen. Meine Ohren waren diesbezüglich schon bei früheren Projekten etwas skeptisch – aber bei der Qualität der Aurichal war es offensichtlich: die A/D- und D/A-Wandler sind nicht gut für den Klang. Ein sicheres Indiz für den negativen Einfluss der A/D- und D/A-Wandler war die beschränkte «Langzeit-Tauglichkeit». Nach längeren Hörsitzungen kam immer der Wunsch auf, eine Pause einzulegen, obwohl die tonale Abstimmung keinerlei Wünsche offen liess.

abacus

Wie von Anfang an geplant wurden also die DSPs mit einem analogen Aktivfilter ersetzt. Die Firma Abacus Electronics war dabei sehr hilfreich, weil sie quasi eine analoge «Kopie» der DSP-Filter hergestellt haben. Im Messdiagramm unten sieht man, dass die analogen Abacus-Filter quasi identische Filtercharakteristika wie das für die Aurichal optimierte DSP-Filter aufweisen. Chapeau!

Transferfunktionen der Aurichal-Aktivfilter: DSP (schwarze Kurve) vs. Abacus-Analogfilter (links und rechts: rote und blaue Kurven).

Transferfunktionen der Aurichal-Aktivfilter: DSP (schwarze Kurve) vs. Abacus-Analogfilter (links und rechts: rote und blaue Kurven).

Klanglich ist das Analogfilter eine Offenbarung! Die tonale Abstimmung ist identisch wie beim DSP-Filter, aber die Auflösung ist viel besser, der Klang löst sich noch besser von den Lautsprechern, und das Musikhören gestaltet sich mit den Analogfiltern vollkommen ermüdungsfrei!

Treiber und Filter: Nur das beste vom besten für die Aurichal!

Für die Aurichal wird nur «das beste vom besten» verwendet: Der ScanSpeak Hochtöner D3004/6640 mit Beryllium-Membran, die ATC SM75-150 Mitteltonkalotte (wegen ihrem Aussehen auch liebevoll «Bärennase» genannt), und der ScanSpeak Revelator Tieftöner 22W/8851T00.

Hochöner Scan-Speak D3004/6640

Hochtöner Scan-Speak D3004/6640

Mittelönter ATC SM75-150

Mitteltöner ATC SM75-150

Tieftöner Scan-Speak 22W/8851T00

Tieftöner Scan-Speak 22W/8851T00

Um die Qualitäten dieser phantastischen Treiber voll auszuschöpfen, muss die Frequenzweiche optimal ausgelegt sein. Die Trennung von Mittel- und Hochtöner geschieht bei der Aurichal mit schlichten Filtern erster Ordnung (6 dB/Oktave), mehr braucht es dank den herausragenden Qualität der verwendeten Treiber nicht. Gleichzeitig können diese Filter mit nur einem einzigen Bauteil im Signalpfad aufgebaut werden. So können an dieser Stelle sehr hochwertige und verlustarme Bauteile verwendet werden, ohne die Kosten für die Frequenzweiche explodieren zu lassen. Zudem ermöglichen Filter erster Ordnung eine zeitrichtige Schalladdition im Übernahmebereich der Frequenzweiche, was der naturgetreuen Schallwiedergabe sehr förderlich ist (mehr dazu in den technischen Unterlagen der AOS Studio 24).

Schaltbild der Mittel- / Hochton-Frequenzweiche für die Aurichal

Schaltbild der Mittel- / Hochton-Frequenzweiche für die Aurichal

Für die korrekte Funktion der Filter müssen unbedingt die Impedanzspitzen bei der Resonanz der Hoch- und Mitteltöner kompensiert werden. Zudem steigt die Impedanz des Mitteltöners zu hohen Frequenzen an, was dem Hochpass des Mitteltöners entgegen wirkt und deshalb ebenfalls kompensiert werden muss. Die folgende Figur zeigt, dass beim Mitteltöner ohne Impedanzkorrektur eine Überhöhung des Frequenzgangs bei 300–800 Hz auftreten würde, und die Dämpfung des Filters oberhalb von 3 kHz ungenügend wäre.

Wirkung der Impedanzkorrektur für den ATC SM75-150 Mitteltöner in der Aurichal

Wirkung der Impedanzkorrektur für den ATC SM75-150 Mitteltöner in der Aurichal

Impedanzkorrekturglieder für die Mittel- und Hochtöner der Aurichal

Impedanzkorrekturglieder für die Mittel- und Hochtöner der Aurichal

Im Bass sieht die Situation komplizierter aus:

  • Der 22W/8851 Tieftöner würde in dem Gehäuse der Aurichal zwar eine blitzsaubere Abstimmung nach Thielle-Small abliefern, aber der Tiefbass unterhalb von 55 Hz wäre unterbelichtet. Um den Tiefbass um ungefähr eine Oktave nach unten zu erweitern, wird ein Aktivfilter mit einer Linkwitz-Transformation benötigt.
  • Der Schallpegel des ATC Mitteltöners fällt unterhalb von 400 Hz mit 12 dB/Oktave ab. Zudem benötigt der Mitteltöner ein Hochpassfilter, weil tieffrequente Signale zu starken Verzerrungen führen würden. Dieses Hochpassfilter (mit einer Steilheit von 12 dB/Oktave) führt in der Summe zu einem Pegelabfall von 24 dB/Oktave. Entsprechend muss auch das Hochpassfilter für den Tieftöner eine Steilheit von 24 dB/Oktave aufweisen, um eine perfekte Schalladdition im Übernahmebereich von Tief- und Mitteltöner zu erreichen.
  • Der Tieftöner hat einen geringeren Wirkungsgrad als die Mittel- und Hochtöner. Der Pegel des Tieftöners muss zudem zusätzlich angehoben werden, um den «Baffle-Step» auszugleichen – ein akustisches Phänomen, wobei die ungerichtete Schallabstrahlung im Bassbereich (4π) in eine nach vorne gerichtete Abstrahlung (2π) übergeht. Bei der Aurichal findet dieser Übergang bei ungefähr 400 Hz statt, und würde zu einem Pegelunterschied zwischen Bass und Mittel-Hochtonbereich führen. Entsprechend muss der Schallpegel des Tieftöners gegenüber dem Mittel-Hochtonbereich insgesamt um 6–7 dB angehoben werden.

Diese Filterfunktionen lassen sich nicht in guter Qualität als Passivfilter aufbauen, weil die nötigen Bauteile gerade im Bassbereich sehr grosse Signal- und Klangverluste bedingen würden. Entsprechend wird die Frequenzweiche zwischen Bass und Mitteltöner als Aktivfilter aufgebaut. Die Filterfunktionen wurden zunächst mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) umgesetzt, womit die Filter sehr flexibel und schnell eingestellt und verändert werden können. Die passenden Filterfunktionen für die Aurichal sind im folgenden Diagramm gezeigt. In Zukunft werden die DSP-Filter durch hochwertige, analog aufgebaute Elektronik ersetzt.

Filterfunktionien der DSP Filter für die Aurichal

Filterfunktionien der DSP Filter für die Aurichal

Optimierung der Schallwandgeometrie

Die Position der Mittel- und Hochtöner auf der Schallwand kann die Akustik eines Lautsprechers stark beeinflussen. Die Treiber strahlen nicht nur nach vorne Schall ab, sondern auch zur Seite. Sobald der seitwärts abgestrahlte Schall eine Kante der Schallwand erreicht, wird der Schall an der Kante gebeugt. Die Beugung wirkt wie eine zweite «virtuelle» Schallquelle, die im Vergleich zu den Treibern allerdings zeitverzögert und mit umgedrehter Polarität abstrahlt.

Die Überlagerung der Schallwellen der Treiber und der virtuellen Schallquellen an den Schallwandkanten führt zu Peaks und Senken im Frequenzgang, deren Mittenfrequenzen von der geometrischen Anordnung der Treiber auf der Schallwand abhängt. Dieser unerwünschte Effekt kann nur verhindert werden, wenn die Schallwandkanten «unendlich» weit von den Treibern entfernt sind. «Unendlich grosse» Lautsprecher finden aber in den allermeisten Wohnzimmern keinen Platz.

Häufig wird auch kolportiert, abgerundete oder abgeschrägte Schallwandkanten würden helfen, die Schallbeugung zu vermeiden. Leider sind solche Abrundungen oder Fasen fast im gesamten Frequenzbereich des menschlichen Gehörs wirkungslos; die Wirkung beschränkt sich im besten Fall auf den Frequenzbereich am oberen Rand der Hörgrenze des menschlichen Gehörs. Siegfried Linkwitz belegt dies eindrucksvoll anhand seiner Messungen und folgert daraus «With most speaker cabinets the radius or chamfer is acoustically too small and is primarily cosmetic».

Meine eigenen Messungen aus der Entwicklung der Aurichal bestätigen dies. Die zwei Photos unten zeigen zwei Testaufbauten zur Schallwand der Aurichal, einmal mit breiten Fasen und einmal ohne Fasen. Das Messdiagram zeigt, dass die damit gemessenen Frequenzgänge identisch sind, die grosszügigen Fasen also wirkungslos bleiben.

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Die Welligkeit des Frequenzangs aufgrund der Schallbeugung an den Schallwandkanten kann zwar nicht verhindert, aber immerhin stark vermindert werden. Dazu müssen die Treiber ausserhalb der Schallwandmitte positioniert werden. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten des Schalls von den Treibern bis zu den Schallwandkanten. Eine geschickte Auslegung der Treiberpositionen auf der Schallwand ermöglicht so eine sehr geringe Welligkeit des Frequenzgangs.

Das folgende Photo zeigt die optimierte Schallwandgeometrie der Aurichal. Der Vergleich der Frequenzgänge bei mittiger und optimierter Treiberanordnung zeigt, dass die optimierte Schallwandgeometrie wie gewünscht einen deutlich glatteren Frequenzgang ergibt. Dies lässt sich sowohl anhand theoretischer Modellrechnungen sowie durch direkte Messungen nachvollziehen. baffle_version_20150523aSS6640BE_bafflediffraction_measured_vs_simulated_HIBA

Gehäuse aus Holz und Messing im Rohbau

Die Aurichal-Gehäuse wurden von innen nach aussen aufgebaut. Zunächst wurde das Innengehäuse aus MDF aufgebaut, welches dann seitlich und oben mit Messingplatten verkleidet wurde. Für einen guten Halt wurde ein Messingblech nach dem anderen vollflächig mit Montagekleber auf dem MDF-Untergrund verklebt. Die Bleche mussten dabei mit Zwingen und Spanngurten kräftig auf das MDF gepresst werden, was zuweilen zu abenteuerlichen Aufbauten geführt hat.

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Als nächstes wurden die Front und die Rückwand aus BirchUp hergestellt. Dieses Material ist etwas heikel zu bearbeiten, weil es dazu tendiert, entlang der Laminatschichten zu brechen. Deshalb wurden die Ausschnitte für die Lautsprechertreiber erst ausgefräst, nachdem das BirchUp mit dem MDF-Untergrund verleimt war.

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Es ist nicht alles Gold, was glänzt

Hier entsteht ein high-end Lautsprecher, der nicht in der klassischen «Holz-Optik» daherkommt. Die Vorgabe ist, dass die Gehäuseaussenseite zumindest teilweise aus Metall besteht. Insbesondere wurde die Optik von «angelaufenem» Messing gewünscht. Deshalb heisst dieser Lautsprecher «Aurichal».

Messing alleine ist allerdings kein gutes Material für ein Lautsprechergehäuse, weil das Metall wie in einer Glocke relativ stark schwingt und deshalb dem Lautsprecher einen starken Eigenklang verleihen würde. Deshalb wurde ein aufwändiges Holzgehäuse entworfen, das auf den Seiten und oben mit Messingplatten verkleidet wird.

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Frisches Messing glänzt stark, was in einem Wohnraum nicht jedermanns Sache ist. Deshalb wurden die Messingplatten für einige Monate im Freien aufgestellt, wo sie durch die Witterung ihren Glanz verloren. Auch Schnecken, Würmer, nasses Laub, Katzenpfoten und andere weniger erwähnenswerte Dinge aus dem Garten haben dem Messing eine schöne, lebhafte Struktur verliehen.

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