Bl-Verzerrung (Antriebsstärke über dem Hub)

Der Kraftfaktor Bl gibt an, wie viel Kraft ein Ampere Strom in der Schwingspule erzeugt — das Produkt aus der magnetischen Flussdichte im Spalt und der Drahtlänge, die tatsächlich im Feld liegt. Diese Zahl gilt für die Ruhelage. Bewegt sich die Spule weit genug, verlässt ein Teil der Wicklung den Bereich hoher Flussdichte, der Antrieb wird schwächer, und die Kraft hängt damit von der Position der Membran ab. Genau das ist die Bl-Verzerrung: Weil dieselbe Stromstärke am Ende des Weges weniger bewirkt als in der Mitte, gibt das Chassis etwas anderes ab, als hineingeht.

Ausführliche Erklärung

Der Magnetspalt ist der einzige Ort im Antrieb, an dem die Flussdichte hoch ist; daneben fällt sie rasch ab. Wie viel Kraft entsteht, hängt deshalb daran, wie viel Wicklung sich gerade im Spalt befindet. Über der Auslenkung aufgetragen ergibt Bl eine glockenähnliche Kurve mit einem Maximum in der Ruhelage und abfallenden Flanken — geschrieben als Bl(x), wobei x die Auslenkung der Membran ist.

Die Folge ist eine Rückkopplung, die dem Signal nicht anzusehen ist. Ein Verstärker schickt eine Sinusspannung; das Chassis wandelt sie am Bewegungsende schwächer in Kraft um als in der Mitte, wodurch die Auslenkung an den Spitzen zusammengedrückt wird. Diese Stauchung ist mathematisch nichts anderes als das Hinzufügen neuer Frequenzanteile. Zugleich ändert sich die elektrische Bedämpfung: Die Gegenspannung der bewegten Spule wächst ebenfalls mit Bl, also bremst der Verstärker die Membran am Bewegungsende schlechter ab als in der Mitte.

Wovon die Größe des Effekts abhängt

Die Bl-Verzerrung ist eine Frage des Weges, nicht der Frequenz. Weil die Auslenkung bei gleichem Schalldruck mit sinkender Frequenz stark zunimmt — pro Oktave abwärts um das Vierfache —, ist der Effekt im Tiefton groß und oberhalb weniger hundert Hertz praktisch bedeutungslos. Ein Hochtöner bewegt sich um Bruchteile eines Millimeters und kennt das Problem nicht; ein Tieftöner im Kinobetrieb legt mehrere Millimeter bis Zentimeter zurück.

Daraus folgt die wichtigste Größe für die Praxis: Es zählt die Strecke, auf der Bl ungefähr gleich bleibt, und nicht sein Höchstwert. Ein Chassis mit hohem Bl und kurzem gleichmäßigem Bereich verzerrt bei großem Hub früher als eines mit kleinerem, dafür konstanterem Antrieb.

Symmetrisch und unsymmetrisch

Fällt Bl nach beiden Seiten gleich ab, ist die Kennlinie symmetrisch. Eine symmetrische Kennlinie staucht die positive und die negative Halbwelle gleichermaßen und erzeugt vor allem ungeradzahlige Anteile, also die dritte Harmonische und ihre Verwandten.

Unsymmetrisch wird die Kennlinie, wenn die Wicklung nicht mittig im Spalt steht oder der Magnetkreis selbst nach vorn und hinten verschieden aussieht. In der Großsignalmessung erscheint das als Spulenversatz Xoffset, abgeleitet aus dem Symmetriepunkt der Bl(x)-Kennlinie. Zwei Dinge kommen dann hinzu: geradzahlige Verzerrungsanteile, allen voran die zweite Harmonische, und ein Gleichanteil in der Bewegung. Weil die Spule in die Richtung mit dem schwächeren Antrieb weniger stark zurückgeholt wird, verschiebt sich ihre mittlere Lage bei hohem Pegel — sie wandert aus dem Spalt heraus, und der Fehler verstärkt sich selbst.

Was Konstrukteure dagegen tun

Alle Wege zielen darauf, den Bereich zu verlängern, in dem sich der Antrieb kaum ändert. Die beiden Grundformen der Wicklung sind beim Eintrag zur Schwingspule beschrieben: Bei der überhängenden Wicklung ist die Spule länger als der Spalt, sodass bei Bewegung am einen Ende so viel Draht herausrutscht wie am anderen nachkommt; bei der unterhängenden ist sie kürzer als der Spalt und bleibt über ihren Weg vollständig im Feld. Beide erkaufen den gleichmäßigen Antrieb mit Aufwand — die eine mit unwirksamem Draht, Masse und Widerstand, die andere mit einem größeren Magnetsystem.

Hinzu kommt die Formung des Feldes selbst: abgesetzte Polkerne, Zusatzringe und Polplatten, deren Geometrie den Abfall der Flussdichte an den Spaltkanten abflacht. In der Fertigung zählt außerdem, dass die Spule wirklich mittig steht, denn ein Versatz von wenigen Zehntel Millimetern erzeugt bereits die unsymmetrische Kennlinie von oben.

Wie es gemessen wird

Sichtbar wird der Verlauf erst in der Großsignalmessung, bei der das Chassis mit steigendem Pegel läuft und Strom, Spannung und Auslenkung gleichzeitig erfasst werden. Die Messtechnik dafür hat der Dresdner Elektroakustiker Wolfgang Klippel seit den neunziger Jahren entwickelt; genormt ist das Verfahren als IEC 62458. Aus der Kennlinie Bl(x) folgen die Antriebsgrenze XBl — die Auslenkung, bei der der Antrieb um einen festgelegten Anteil eingebrochen ist — und der Spulenversatz Xoffset. Die Grenzauslenkung Xmax eines Chassis ist das Minimum aus den Einzelgrenzen für Antrieb, Aufhängung, Induktivität und Dopplereffekt, bemessen nach AES2 an dem Punkt, an dem 10 % harmonische oder Intermodulationsverzerrung erreicht sind. Wie ein solcher Messbericht insgesamt aufgebaut ist und was er nicht zeigt, führt der Beitrag zu den Nachweisverfahren für Lautsprecher aus.

Häufiges Missverständnis

„Ein großer Xmax-Wert heißt, dass das Chassis bis dahin sauber spielt." Das stimmt so nicht. Xmax ist keine Grenze zwischen sauber und verzerrt, sondern der Punkt, an dem eine vereinbarte Verzerrungsschwelle erreicht ist — unterhalb davon steigt die Verzerrung bereits stetig an. Erschwerend kommt hinzu, dass die Angabe uneinheitlich zustande kommt: Manche Datenblätter nennen den geometrischen Überhang der Wicklung über den Spalt, andere das verzerrungsbasierte Kriterium, und beide Zahlen unterscheiden sich für dasselbe Chassis deutlich. Ohne die Angabe, nach welcher Definition gemessen wurde, lassen sich zwei Xmax-Werte nicht vergleichen.

„Ein stärkerer Magnet löst das." Ein stärkeres Feld erhöht den Kraftfaktor in der Ruhelage und damit den Wirkungsgrad, sagt über den Verlauf über dem Hub aber nichts. Entscheidend ist die Geometrie — Spalthöhe, Wicklungslänge, Form der Polplatten —, und die lässt sich einem Chassis von außen nicht ansehen.

„Das ist eine Nichtlinearität unter vielen, also egal." Sie ist nicht egal, weil sie mit dem Pegel wächst, während Aufstellung und Raumakustik ihre Wirkung pegelunabhängig entfalten. Genau darin liegt ihre Bedeutung für die Planung: Sie erklärt, warum zwei Systeme, die im Vorführraum bei mittlerer Lautstärke gleich gut klingen, sich beim Referenzpegel auseinanderentwickeln. In der Rangfolge dessen, was ein Ergebnis im Wohnraum bestimmt, stehen Raum und Abstrahlverhalten trotzdem vorn.

Nicht zu verwechseln mit

• Le(x)-Verzerrung: Auch sie hängt am Hub, entsteht aber über die veränderliche Induktivität der Wicklung und das Eisen ringsum — siehe Wirbelströme und Hysterese. Die beiden sind die zwei großen Nichtlinearitäten des Antriebs.
• Kms(x): Die Aufhängung aus Sicke und Zentrierspinne verhärtet bei großem Hub. Gleiche Abhängigkeit von der Auslenkung, aber mechanische Ursache.
• Membranaufbruch: Verformung der Membran oberhalb des Kolbenbereichs, ein Effekt der Frequenz statt des Hubes — siehe Membranaufbruch.
• Leistungskompression: Die Wicklung erwärmt sich, ihr Widerstand steigt, der Pegel sackt ab. Thermisch und langsam statt magnetisch und augenblicklich — siehe Leistungskompression.
• Klirrfaktor: Ein Maß für die Wirkung, keine Ursache. Bl-Verzerrung ist einer der Mechanismen, die ihn und die Intermodulationsverzerrung füllen.

In der Planung

Ein Kinoraum mit rund 60 Kubikmetern soll Referenzpegel schaffen, und im Raum ist Platz für zwei Subwoofer. Zur Wahl stehen ein großes Chassis mit viel Hub und zwei kleinere mit je weniger.

Zuerst gehören zwei Zahlen auf den Tisch: Welcher Pegel wird bei welcher unteren Grenzfrequenz gebraucht, und wie oft wird er wirklich abgerufen? Erst daraus ergibt sich die verschobene Luftmenge, die das System liefern muss — und die ist das Produkt aus Membranfläche und Auslenkung. Es gibt also zwei Wege, dieselbe Menge zu bewegen.

Der Verfahrensschritt entscheidet, welcher davon genommen wird, und hier kommt die Antriebsstärke ins Spiel. Mehr Fläche bei weniger Hub hält jedes einzelne Chassis in dem Bereich, in dem der Antrieb gleichmäßig arbeitet; ein Chassis, das dieselbe Menge allein bewegt, arbeitet bei jeder lauten Szene an seiner Grenze. Dazu kommt der bekannte Nebeneffekt mehrerer Subwoofer im Raum: Ihre Verteilung glättet den Verlauf im Tiefton, was die Multisub-Anordnung ausführt. Umgekehrt schiebt eine hoch gewählte Übergangsfrequenz den Subwoofer nach oben, wo seine Verzerrungsprodukte ortbar werden.

Die Gerätefrage kommt zum Schluss, und sie lautet dann nicht mehr, welches Modell den größten Hub schafft. Sie lautet: Welches hält den geforderten Pegel mit welchem Anteil seiner Grenzauslenkung — und liegt für diese Angabe überhaupt eine Messung vor?

Verknüpfte Inhalte

Wie der Antrieb aufgebaut ist und was über- und unterhängende Wicklungen unterscheidet, steht bei der Schwingspule; die zweite große Nichtlinearität des Antriebs bei Wirbelströmen und Hysterese. Bl als Kleinsignal-Kenngröße ist einer der Thiele-Small-Parameter. Was aus mehreren gleichzeitig anliegenden Tönen wird, sobald der Antrieb ungleichmäßig arbeitet, erklärt die Intermodulationsverzerrung; wie sich das messen lässt, der Beitrag zu den Nachweisverfahren für Lautsprecher. Für die Auslegung im Tiefton sind der Subwoofer und die Übergangsfrequenz die nächsten Schritte.

Quellen

Die Kraftwirkung im Luftspalt, der Kraftfaktor als Produkt aus Flussdichte und wirksamer Drahtlänge und die Abnahme der wirksamen Länge bei Auslenkung folgen der elektroakustischen Standardliteratur. Der Spulenversatz als Einzelwert aus dem Symmetriepunkt der Bl(x)-Kennlinie sowie die Bemessung der Grenzauslenkung über 10 % harmonische oder Intermodulationsverzerrung nach AES2 stehen in der Verfahrensdokumentation der Klippel GmbH, die für diese Seite am Objekt gelesen wurde. Die Großsignalmessung selbst ist als IEC 62458 genormt.