Selbstbau - Tonfeile Tafal
Messen
Wer nun meint, Messen sei nur etwas für Technik-Nerds und bei Hifi ohnehin überbewertet; es soll halt gut klingen nicht sich toll messen lassen; der ist gewaltig auf dem Holzweg!
Auch ich habe mangels Messequipment und Sachverstand zur Materie diesem Aspekt bisher zu wenig Bedeutung beigemessen. Ein Grossteil der Fachpresse schürt diesen Irrglauben zudem noch: Da werden in Testberichten immer weniger Messungen abgedruckt (oder gemacht); in Selbstbaumagazinen finden sich auch nur wenige aussagekräftige Messchriebe, in ihrer Papierform unschöne Komponenten werden im Text schön geschrieben ("Tonalität ist überbewertet, rocken muss es", "viel, aber guter, schön klangfarbenstarker Klirr" usw.); oder man konzentriert sich gleich ganz auf schönmalerische Klangbeschreibungen, wie dies einige exklusive Hochglanz-Zeitschriften tun.
Beinahe könnte man den Eindruck gewinnen, die Hand in Hand arbeitende Fachpresse und Vertriebe tun alles um den geneigten Käufer mögichst unwissend zu halten, um auch ja jedes zu lancierende Produkt irgendwie an den Audiophilen zu bringen.
Dabei gibt es ein paar einfach zu verstehende messtechnische und akustisch wirksame Zusammenhänge, die beispielsweise die Bewertung eines Lautsprechers erleichtern. Wen so etwas - neben meinen ebenfalls noch folgenden subjektiven Höreindrücken - interessiert, darf im folgenden, nur vermeintlich drögen Kapitel, einiges über diese Zusammenhänge lernen; und erfährt nebenbei, warum die Tafal klingt wie sie klingt, und warum ich sie aus genau diesem Grund für einen der besten Kompaktlautsprecher überhaupt halte.
Frequenzgang Hochtöner
Bild 1: Seas TAF 27 Plus mit Diffusor unter Winkel (0, 15, 30 und 45 Grad).
Bild 2: Seas TAF 27 Plus mit (blau) und ohne (rot) Diffusor im Vergleich.
Bild 3: Seas TAF 27 Plus ohne Diffusor, aber mit (blau) und ohne (rot) Entzerrung der Membranresonanz im Vergleich.
Bild 1 zeigt den unbeschalteten TAF 27 im Originalzustand mit Diffusor. Man darf sich auf den ersten Blick nicht vom scheinbar sehr welligen Frequenzgang täuschen lassen: Die Skalierung der y-Achse zeigt nur eine schmalen Ausschnitt von 20 dB. Im Ergebnis sieht man den Pegel innerhalb einer Bandbreite von 3 dB verlaufen, was einer um 50 Prozent Abweichung empfundenen Lautstärke entspricht. Auch das ist natürlich nicht akzeptabel, weshalb man den Hochtöner in seinem finalen Gehäuse beschalten, messen und hören muss.
Der Abfall im Pegel zu höheren Frequenzen hin ist auf die bereits beschriebene Bündelung kurzwelliger Schallanteile zurückzuführen und ist der Tatsache geschuldet, dass jede Membran (leider) nicht unendlich klein sein kann, und somit Schallanteile die kurzwelliger als die abstrahlende Fläche sind, interferieren und es somit auch zu Auslöschungen ausserhalb der Achse kommt. Je weiter man sich also ausserhalb der Achse zum Lautsprecher befindet, um so leiser wird der oberste Brillianzbereich wahrgenommen. Würde man den Pegel in diesem Bereich allerdings soweit überhöhen, dass unter einem gewählten Winkel zum Lautsprecher die Höhen mit unvermindertem Pegel einträfen, bringt man unter anderen Winkeln zu viel Hochtonenergie in den Raum ein. Der Summenfrequenzgang, der sich auch aus reflektierten Schallanteilen zusammensetzt, würde viel zu laut werden. Das menschliche Gehör, bzw. das verarbeitende Gehirn ist darauf eingestellt, dass im Raum der Pegel zu hohen Frequenzen hin abfällt, und empfindet dieses Verhalten als normal. Die Pegelabhängigkeit eines Hochtöners von der Frequenz und dem Abstrahlwinkel ist also erst einmal unproblematisch solange es keine graviernden Einbrüche oder Überhöhungen oder extreme Bündelungen gibt. Das ist beim TAF 27 gegeben.
Bild 2 zeigt den Effekt der Entfernung des Diffusors (roter Graph) auf den Frequenzgang. Hier ist der Hochtöner bereits über die Frequenzweiche beschaltet und zeigt nun einen ausgewogeneren Verlauf mit sehr geringer Welligkeit in einer Skalierung der y-Achse von 50 dB. Diese war notwendig, da die Membranresonanz bei 26 kHz einen deutlichen Pegelanstieg verursacht. Diese Frequenz kann der Mensch zwar nicht direkt wahrnehmen, erzeugt aber trotzdem Effekte im hörbaren Spektrum, wie man später noch sehen wird. Entscheidend ist an dieser Stelle, dass der Diffusor den Pegel zwischen ca. 9 und 12 kHz um ca. 1 bis 1,5 dB anhebt. Diese Brillianzüberhöhung wird mit Entfernen des Diffusors wieder aufgehoben.
Bild 3 zeigt die Wirkung der Entzerrung (blauer Graph) der Membranresonanz durch die Frequenzweiche wie im Kapitel Entwicklung auf Bild 2 angegeben.
Frequenzgang Tiefmitteltöner
Bild 1: Abstrahlverhalten des unbeschalteten AL 130 unter Winkel (0, 15, 30 und 45 Grad).
Bild 2: Tieftonpegel AL 130 in Abhängigkeit vom Gewicht der Passivmembran. Der blaue Graph zeigt die Tieftonausbeute ohne, der rote mit Zusatzgewicht.
Der unbeschaltete Frequenzgang des AL 130 zeigt auf Bild 1 einen recht gleichmässigen Verlauf. Den abfallenden Tiefton darf man bei dieser Messung nicht überbewerten, da sich bei Tieftönern das gewünschte Verhalten erst in ihrem angedachten Gehäuse einstellt. Hier zeigt der 13er für seine Grössenklasse ein aussergewöhnlich gutes Tieftonverhalten. Mehr Aufmerksamkeit braucht da schon die, bei Hartmembranen übliche, Membranresonanz ab ca. 6 kHz, die zudem heftig im Pegel ist. Diese muss sorgältig entfernt werden, da auch im Pegel abgesenkte Resonanzen unangenehmene nicht lineare Verzerrungen verursachen, die insbesondere im für unser Ohr empfindlichen Präsenz- und Brillianzbereich unangenehm auffallen. Mit einem flachem Filter 1. Ordnung (einer Spule) ist es daher bei Hartmembranen meist nicht getan, da die Verzerrungen noch zu laut wiedergegeben werden. Der resultierende unangenehm harte oder schrille Hochton wird dann meist dem unschuldigen Hochtöner angelastet, obwohl der Quell des Übels der nicht sachgerecht beschaltete Tiefmitteltöner ist.
Mit dem Zusatzgewicht an der Passivmembran sinkt die Tuningfrequenz von 58 auf 47 Hz, was sich entsprechend auch in einer tieferen unteren Grenzfrequenz (roter Graph auf Bild 2) auswirkt. Zudem verkneift sich die Tafal so jegliche Art der Kickbass-Überhöhung, wie man sie häufig bei Bassreflexlautsprecher findet. Gerade Kompaktlautsprecher versuchen häufig mangelnde Tieftonausbeute mit einer deftigen Oberbass-Anhebung zwischen 80 und 120 Hz zu kaschieren. Auf Dauer ergibt sich dann ein lästig dumpfer Dröhnbass mit mulmig unpräzisem Grundton. Der Tiefton der Tafal gereicht schon manch grösserem geschlossenen Standlautsprecher aller Ehre, wobei die Pegelreserven durch die effektive Membranfläche von 79 qcm und den Hub von +/- 8,5 mm begrenzt werden. Der hiermit erreichbare unverzerrte Maximalpegel ist aber schon recht ordentlich. Aber - egal was man so zu hören und lesen bekommt - Membranfläche, Hub und Volumen sind durch nichts zuersetzen, ausser durch noch mehr... - genau! Eine Kühlschrankgrosse Box mit zwei 20er hat also naturgemäss grössere Pegelreserven, auch wenn sie nicht unbedingt tiefer abgestimmt sein muss. Im Ergebnis kann man unter normalen Wohnraumbedingungen mit jeglichem Musikmaterial bis zu recht hohen Pegeln mit der Tafal aber sehr gut leben.
Summenfrequenzgang und Impedanzgang
Viel mehr als die Einzelmessungen der Chassis interessiert natürlich, was Tonfeile mit der beschriebenen Beschaltung aus der Tafal gemacht hat. Und das kann sich nicht nur hören, sondern messtechnisch auch sehen lassen:
Bild 1: Aufsummierung des Hoch- und Tieftonzweiges mit perfekt symmetrischen Übergangsbereich und tiefer Trennfrequenz bei 1.620 Hz.
Bild 2: Impedanzverlauf mit einem unkritischen Minimum von 4,8 Ohm bei 273 Hz.
Im Ergebnis sieht man auf Bild 1 ein exemplarisch linearen Frequenzgang über das gesamte Spektrum. Für eine aussagekräftige Darstellung ist der Graph - wie anderenorts ebenfalls üblich - geglättet dargestellt. Das Rohsignal des Messmikros gibt sich da zappeliger. Einzig eine leichte Präsenztonsenke zwischen 2,5 und 4 kHz ist auszumachen. Die soll hier bewusst nicht mit abmildernden Klangbeschreibungen schön geredet werden. Allerdings hilft bei deren Einordnung die Ursache dieser Senke zu verstehen:
Die Präsenzsenke entsteht durch die im Kapitel beschriebene Kantendiffraktion - also Auslöschungseffekten durch Schallbeugung und Brechung an den Gehäusekanten. Diesen sollte man unter keinen Umständen mit einer (bei Passivlautsprechern ohnehin schwierigen) Auffüllung des Pegels in diesem Bereich begegnen. Das führt dann zu einer akustisch tatsächlich unangenehmen Überhöhung in diesem Bereich unter anderen Abstrahlwinkleln und damit zu zuviel Energie in diesem Frequenzbereich, die in den Raum abgestrahlt wird und auch über reflektierte Schallanteile wahrgenommen wird. Der springende Punkt ist schliesslich, dass diese Effekte winkelabhängig sind. Unter anderen Winkeln als dem hier gemessenen sieht der Summenfrequenzgang so denn auch an dieser Stelle sehr gleichmässig aus, wie man im nächsten Messdiagrammen sehen kann.
Das Auffüllen der Präsenzsenke wäre also keine gute Idee. Wie würde der perfekte Verlauf für den Hörplatz aussehen? Den gibt es bei einem nicht unendlich kleinen Lautsprecher nicht. Kugelförmige Gehäuse haben hier sicher Vorteile. Wie man später sehen wird, hat die Tafal für einen kubischen Lautsprecherkörper ein überdurchschnittlich gutes Abstrahlverhalten, was auch dem Design der Frontplatte geschuldet ist.
Zwei weitere Ursachen für das gute Abstrahlverhalten sind ebenfalls auf Bild 1 zusehen: Die sehr tiefe Trennfrequenz bei 1.620 Hz und die perfekt symmetrischen Flanken des Übergangsbereichs der beiden Chassis. Durch die tiefe Trennfrequenz, die die grosse und pegelfeste TAF 27 Kalotte erlaubt, werden die ihr zugedachten Frequenzen im Präsenzbereich sehr breit und gleichmässig abgestrahlt. Würde der Bereich von 1,6 bis 3 oder 4 kHz von einem deutlich grösseren Konus-Tiefmitteltöner abgestrahlt, käme es aufgrund der beschriebenen Interferenzen hier zu stärkeren Bündelungseffekten, die die Tonalität auf Achse ins Überpräsente bzw. ausserhalb des Sweetspots ins Muffelige kippen liessen. Mit dererlei Tonalitätsproblemen hat die Tafal nicht zu kämpfen.
Das spiegelbildlich zueinander verlaufende Ein- bzw. Ausphasen der beiden Chassis zueinander sorgt für einen ähnlichen Effekt: Es entstehen auch unter verschiedenen Winkeln keine Überhöhungen oder Senken im Summenfrequenzgang. Die Tafal tönt auch ausserhalb des Sweetspots und somit auch für jene Hörer, die ihren Kopf am Hörplatz nicht fest einspannen möchten, immer ausgeglichen und natürlich.
Bild 2 zeigt den unkritischen Impedanzverlauf eines 4-Ohm-Lautsprechers mit Passivmembran. Die Tafal stellt also keine aussergewöhnliche schwierige Last für Verstärker dar.
Abstrahlverhalten
Oben habe ich die Gründe für das besonders gute Abstrahlverhalten bereits beschrieben. Hier kommen nun die messtechnischen Belege:
Bild 1: Nahezu perfekt lineares Abstrahlverahlten auch in der Horizontalen bei Winkeln unter 0, 15, 30, 45 und 60 Grad.
Bild 2: Nahezu perfekt lineares Abstrahlverahlten auch in der Vertikalen in gestuften Abständen zur Hauptachse. Die Graphen wurden der Vergleichbarkeit wegen übereinander montiert; die y-Achse gibt keine Pegelunterschiede wieder.
Wie bereits im vorangegangenen Punkt angedeutet, sieht man in Bild 1 gut, dass die Präsenztonsenke aufgrund der Kantendiffraktion unter Winkel komplett verschwindet (grüner und blauer Graph). Der weitere Verlauf ist sehr linear und lediglich durch das Bündelungsverhalten der Hochtonkalotte im oberen Brillianzbereich gekennzeichnet. Die ist physikalisch unvermeidlich, aber gleichmässig proportional zum Winkel abgestuft.
Aufgrund der tiefen Trennfrequenz und der Verrundung der oberen Gehäusekante ist auch das Abstrahlverhalten in der Vertikalen (Bild 2) sehr gleichmässig. Im Gegensatz zu anderen Konzepten spielt die Stellhöhe oder Einwinkelung der Tafal auf den Hörplatz tonal also nur eine geringe Rolle.
Verzerrungen
Habe ich bisher ausschliesslich von linearen Verzerrungen geschrieben, soll es hier nun um die nicht minder bedeutsamen nichtlinearen Verzerrungen gehen. Die linearen Verzerrungen sind Veränderungen des Pegels über die Frequenz und werden daher auch als Tonalität oder Neutralität beschrieben. Alle Frequenzen sollen also gleich laut klingen, damit aus Diana Krall also weder eine Mickey Mouse noch ein Brummbär wird. Hier soll es nun um die nichtlinearen Verzerrungen gehen.
Nichtlineare Verzerrungen sind solche bei denen dem Ausgangssignal neue Anteile hinzugefügt werden, die da eigentlich nicht hingehören. Hierbei spricht man auch gerne von Klirr oder dem Klirrfaktor, der in Prozent ausgedrückt seinem Anteil am Gesamtsignal entspricht. Ganzzahlige Oberwellen, die auch nichtlineare Verzerrung sind, werden in der Fachpresse oft als "guter" oder "harmonischer" Klirr bezeichnet. Meist dann wenn es darum geht konzeptbedingt verzerrende Breitbänder oder Röhrenverstärker schön zuschreiben. Richtig ist, dass Obertöne auch bei natürlichen Schallereignissen vorkommen und erst Klangfarben entstehen lassen. Der Ton einer Blockflöte klingt meist eher langweilig, der gleiche Ton einer Querflöte, Oboe, Fagott etc. klingt klangfarbenstärker - die Obertöne lassen uns erst die unterschiedlichen Instrumente voneinander unterscheiden. So gesehen steckt also auch in dem gerne beschriebenen "guten" Klirr ein Fünkchen Wahrheit drin. Zumindest dahin gehend, dass ganzzahlige harmonische Verzerrungen erst einmal nicht unangenehm klingen müssen.
Mit Hifi - also der hohen Klangtreue - hat allerdings auch diese Form von Klirr nichts zu tun. Und wer will schon wirklich, dass sein Lautsprecher oder Verstärker immer dafür sorgt, dass eine Oboe wie eine Querflöte klingt, oder Diana Krall wie Rebecca Bakken quäkt!?
Bild 1: Verzerrungen in Prozent über der Frequenz bei 80 dB auf 1 m - ohne Entzerrung der Membranresonanz bei 27 kHz ergibt sich ein kleiner Peak von knapp 0,3 Prozent D3 bei 9 kHz.
Bild 2: Verzerrungen in Prozent über der Frequenz bei 80 dB auf 1 m - mit Entzerrung der Membranresonanz bei 27 kHz ergibt sich über das gesamte Spektrum ein exemplarisch niedriges Verzerrungsverhalten. Im Hochton liegt D3 nie über 0,06 Prozent.
Wer es beim Lesen bis hierhin geschafft hat, wird ohnehin kein Fan von zerrigen Hörnern, Breitbändern oder 10-Prozent-Klirr-Röhrenverstärkern sein, und will wahrscheinlich seine Musik so hören, wie sie aufgenommen und gemastert worden ist.
Diejenigen sind bei der Tafal genau richtig. Nicht nur hinsichtlich ihrer Frequenzgang-Linearität, sondern auch hinsichtlich ihrer Klirrarmut leistet sie Aussergewöhnliches: Schon ohne die Entzerrrung der Membranresonanz der Hochtonkalotte bei ca. 26 kHz, zeigt die Tafal ein sehr geringes K3-Klirr-Niveau (Bild 1) von unter 0,2 Prozent. Lediglich eine kleine kaum nennenswerte Spitze von 0,3 Prozent bei 9 kHz sticht heraus. Diese entsteht vermutlich durch die Membranresonanz bei 26-27 kHz und wirkt sich hier durch Intermodulation bei 9 kHz aus.
Bild 2 zeigt dann auch, dass nach Entzerrung der Membranresonanz von der 9 kHz Spitze nichts mehr übrig bleibt. Mit K3-Klirr im Promillbereich hat die Tafal echte Mastering-Qualitäten. Wer sein Equipment oder Aufnahmen auf Fehler untersuchen möchte, hat mit der Tafal das richtige Werkzeug an der Hand. Im Präsenz- und Brillianzbereich tönt sie absolut unbestechlich.
Sprungantwort und Wasserfalldiagramm
Über die Sprungantwort und das Wasserfalldiagramm werden Ein- und Ausschwingverhalten des Lautsprechers bewertet. Die Sprungantwort zeigt hierbei den zeitlichen Verlauf der verbauten Chassis auf einen kurzen Impuls. Aufgrund des leichten Schwingsystems aber auch der höheren wiedergebbaren Frequenzen gleicht die Sprungantwort eines Hochtöners meist einer kurzen Spitze. Dynamische Tiefmitteltöner folgen dieser Spitze mit möglichst kurzem zeitlichen Versatz und zeigen im Verlauf wenigsten eine volle Schwingung. Ein Bassimpuls ist messtechnisch halt kein einzelner Mikrosekundenpeak, sondern beispielsweise im Falle eines 50 Hz Signals eine 20 Millisekunden andauernde Welle.
Das Wasserfalldiagramm zeigt lediglich das Ausschwingverhalten über das Frequenzband. Hier sollten alle Frequenzen entsprechend ihrer Dauer schnell abklingen. Längeres Ausschwingungen oder Welligkeiten deuten auf ein unerwünschtes Eigenleben der Chassis hin, dass Signalanteile hinzufügt, die der Verstärker nicht gesendet hat - hier werden also wieder nichtlineare Verzerrungen sichtbar.
Wenn mit der Sprungantwort und dem Wasserfall alles in Ordnung ist, sollte das Klangbild diesbezüglich unverzerrt und von einem guten Timing oder Rhythmik geprägt sein.
Bild 1: Sprungantwort der Tafal ohne Entzerrung der Membranresonanz des Hochtöners - der Tieftöner folgt zügig auf den Hochtöner und schwingt schnell aus. Die Membranresonanzen sind auch in der Sprungantwort zu erkennen.
Bild 2: Sprungantwort der Tafal mit Entzerrung der Membranresonanz des Hochtöners - typische Sprungantwort eines sauber gemachten 2-Wege-Lautsprechers.
Die Sprungantwort offenbart Fehlerfreiheit bei der Tafal. Der Hochtöner zeigt erwartungsgemäss nur einen kurzen Peak, der AL 130 folgt dem Impuls sehr schnell und schwingt zügig und ohne Nachschwinger wieder aus. Besser geht das mit einem passiv entzerrten Zweiwegelautsprecher nicht. Einzige messtechnische Einschränkung ist die Menbranresonanz des Hochtöners, wenn diese nicht über die Weiche entzerrt wird (Bild 1). Die Resonanzen sind als überlagerndes Gezappel sowohl im Hochtonimpuls als auch als Summensignal beider Chassis im Tieftonschwinger zu erkennen.
Bild 1: Wasserfalldiagramm in Periodendarstellung der Tafal ohne Entzerrung der Membranresonanz - die Membranresonanzen des Hochtöners schwingen lange nach.
Bild 2: Wasserfalldiagramm in Periodendarstellung der Tafal mit Entzerrung der Membranresonanz - mustergültiges Ausschwingen über das gesamte Spektrum. Einzig im Superhochton sind noch Reste der entzerrten Membranresonanz zu erkennen. Zur Erinnerung: im Nutzsignal erzeugen diese gerade noch einen Klirr von 0,04 Prozent bei 9 kHz.
Auch beim Wasserfalldiagramm ist alles in bester Ordnung. Die Tafal zeigt ein exemplarisch gutes Abklingverhalten. Lediglich die Membranresonanz des TAF 27 bei über 26 kHz ist deutlich zu erkennen, insbesondere dann wenn man sie nicht entzerrt (Bild 1).
Beurteilung der Ergebnisse
Unterm Strich ist die Tafal messtechnisch über alle Zweifel erhaben. Mit überdurchschnittlich guter, Abhörmonitor-tauglicher, Neutralität; einem breitem und gleichmässigen Abstrahlverhalten; und niedrigsten Verzerrungen gesegnet, zeigt sie was mit einem entsprechend kompromisslosen und sauber entzerrtem Konzept heute möglich ist... ...wenn man keinen spezifischen Markensound hineinentwicklen muss.
Der fleissige deutsche Hifi-Werbeblättchen-Leser kann nun entsprechend antrainiert unken: "Das muss ja langweilig klingen. Studiomonitore sind nur für Leute die damit täglich stundenlang ihr Geld verdienen müssen. Echte Hifi- und insbesondere Highend-Lautsprecher müssen einen eigenen Charme versprühen, den Markenklang offenbaren, die Handschrift Ihres Entwicklers zu Ohren bringen etc...
Wer die (leider üblich gewordenen) harten und dünnen Mitten sucht, verzerrt schreienden Hochton und den üblichen sumpfig überzogenen Oberbass braucht, der kann sich die folgenden Klangbeschreibungen tatsächlich sparen.
All jene, denen nach der langen, trockenen Theorie nun nach (der Beschreibung von) Hörgenuss zumute ist, kann ich nur aufmunternd raten: Lest es Euch noch durch das letzte Kapitel zur Tafal. Dieser Lautsprecher ist eine - ja vielleicht sogar DIE - Referenz, wenn es um die korrekte und damit möglichst wirklichkeitsnahe Reproduktion von Musik geht; und hierbei keine Disco-Pegel und zwerchfellablösende Tiefsttöne benötigt werden.
Also lieber, der High-Fidelity verschriebene, audiophile Musikliebhaber, blättere nun mutig weiter.