Richtwirkungskonstanz

Richtwirkungskonstanz heißt, dass ein Lautsprecher über einen weiten Frequenzbereich in denselben Winkel abstrahlt: Sein Abstrahlwinkel und damit sein Bündelungsmaß bleiben über der Frequenz gleich, statt nach oben hin immer enger zu werden. Im Englischen heißt die Eigenschaft Constant Directivity, abgekürzt CD.

Ausführliche Erklärung

Der Ausgangspunkt ist eine Eigenschaft, die jeder Wandler von sich aus hat. Solange die Wellenlänge groß ist gegenüber der Membran, strahlt ein Chassis nahezu kugelförmig ab; wird die Wellenlänge kleiner als die Membran, konzentriert sich die Abgabe zunehmend auf die Achse. Der Abstrahlwinkel wandert damit über den Hörbereich von rundum bis auf wenige Grad, und das Bündelungsmaß steigt entsprechend an. Wie dieses Maß definiert ist und warum es kein Wirkungsgrad ist, steht bei Richtwirkung und Bündelungsmaß.

Richtwirkungskonstanz ist die Antwort darauf: eine Auslegung, die diesen Anstieg über einen möglichst weiten Bereich unterdrückt. Der Wandler wird dort gebündelt, wo er von allein noch breit abstrahlen würde, und dort in Ruhe gelassen, wo er ohnehin bündelt. Übrig bleibt ein flacher Verlauf des Bündelungsmaßes.

Warum ein flacher Verlauf im Wohnraum zählt

Am Hörplatz kommt beides an: der Direktschall von der Achse und der Anteil, den der Raum zurückwirft. Der eine folgt dem Frequenzgang auf Achse, der andere der gesamt abgestrahlten Leistung. Steigt das Bündelungsmaß über der Frequenz an, unterscheiden sich beide in der Klangfarbe — der Raum antwortet dumpfer, als der Lautsprecher spielt. Bleibt das Bündelungsmaß konstant, hat der Nachhall im Raum dieselbe Balance wie der Direktschall; Genelec nennt genau das als Ziel seiner Waveguide-Auslegung.

Daraus folgt der zweite Vorteil, und er wiegt im Wohnraum schwerer als der erste: Der brauchbare Hörbereich wird breiter. Wenn der Pegel zur Seite hin über alle Frequenzen gleichmäßig abnimmt, ändert sich beim Verrutschen um einen Platz die Lautstärke, aber nicht die Klangfarbe. Bei stark ansteigendem Bündelungsmaß verliert der Nachbarplatz zuerst die Höhen.

Das hat auch eine Folge für die elektronische Einmessung. Eine Raumkorrektur misst am Hörplatz und korrigiert damit eine Mischung aus Direktschall und Raumanteil. Ein Sprung im Abstrahlverhalten lässt sich so nicht beheben — der Filter kann den Direktschall glätten oder den Raumanteil, aber nicht beides zugleich. Der Fachautor Nyal Mellor hält dazu fest, dass automatische Einmessroutinen die Richtwirkung des Lautsprechers gar nicht berücksichtigen und die Zielkurve deshalb von Hand angepasst werden muss.

Woran sich Konstanz ablesen lässt

Prüfbar ist die Eigenschaft nur als Verlauf. Zwei Darstellungen leisten das: das Abstrahldiagramm über Winkel und Frequenz — im Isobarenbild zeigt sich Konstanz als waagerechtes Band statt als sich verjüngender Keil — und der Verlauf des Bündelungsmaßes über der Frequenz, der dann flach liegt.

Das genormte Messverfahren dafür ist ANSI/CTA-2034, aktuell in der Ausgabe B: Die Consumer Technology Association legt darin das Verfahren fest, mit dem Frequenzgang, Richtwirkung und maximale Ausgangsleistung eines Wohnraumlautsprechers bestimmt werden. Gemessen wird auf einer Kugel um den Lautsprecher; aus den Einzelmessungen entstehen die Kurven für Hörfenster, frühe Reflexionen und Schallleistung, und aus deren Abstand die beiden Bündelungsmaß-Kurven.

Eine untere Grenze hat jede Konstanz, und sie ist keine Schwäche der Ausführung, sondern Physik: Richtungssteuerung verlangt Abmessungen im Verhältnis zur Wellenlänge. Unterhalb der Frequenz, deren Wellenlänge zur Öffnung passt, strahlt jedes Bauteil wieder breit ab. Je größer der Waveguide, desto tiefer reicht seine Wirkung. Deshalb ist eine Angabe ohne Frequenzband kaum etwas wert — „konstantes Abstrahlverhalten" ohne die Wörter „von … bis" beschreibt keinen Zustand, den man nachmessen könnte. Wo ein Hersteller die Konstanz sogar im Produktnamen führt, steht die Frage nach Band und Toleranz erst recht an; ein Beispiel aus dem Einbaubereich behandelt der Eintrag zu CDX.

Der Übergang zwischen zwei Wandlern

Am schwierigsten ist die Stelle, an der ein Chassis das nächste ablöst. Ein 20-Zentimeter-Tieftöner bündelt am oberen Ende seines Bereichs bereits deutlich; ein 25-Millimeter-Hochtöner strahlt dort noch fast rundum. Bei der Trennung springt der Abstrahlwinkel also auf — der Lautsprecher wird oberhalb der Trennfrequenz für eine halbe Oktave breiter und danach wieder enger. Im Bündelungsmaß erscheint das als Delle, im Hörraum als Klangfarbenwechsel des reflektierten Schalls genau im Präsenzbereich.

Die übliche Gegenmaßnahme setzt an beiden Seiten an: Der Hochtöner bekommt einen Waveguide, dessen Abstrahlwinkel bei der Trennfrequenz zu dem des Tieftöners passt, und die Trennfrequenz wird so gelegt, dass die beiden Winkel dort tatsächlich zusammenfallen. Genelec beschreibt für seine Waveguides genau diese Bemessung und nennt als Zweck, eine Unstetigkeit der Richtwirkung zu vermeiden. Damit ist auch klar, warum Richtwirkungskonstanz eine Systemeigenschaft ist: Sie entsteht aus Wandlergröße, Schallführung und Trennfrequenz zusammen, und kein einzelnes Bauteil bringt sie mit.

Herkunft des Begriffs

Der Begriff stammt aus der Beschallungstechnik. Der Entwickler Don B. Keele Jr. stellte 1975 bei Electro-Voice eine Hornbauform vor, die einen exponentiellen Halsabschnitt für die Treiberbelastung mit konischen Mundabschnitten für die Richtungssteuerung verbindet; für diese Kontur beanspruchte er ein bis 16 Kilohertz gleichbleibendes Abstrahlverhalten. Die Bauform wurde als CD-Horn bekannt, und mit ihr das Wort. Für die heutige Waveguide-Auslegung ist allerdings die Wellenausbreitungstheorie der maßgebliche Zweig, wie sie Earl Geddes ab 1989 entwickelt hat — die CD-Hörner stehen am Anfang der Frage, nicht am Ende ihrer Beantwortung.

Häufiges Missverständnis

„Richtwirkungskonstant heißt eng bündelnd." Das ist die häufigste Verwechslung, und sie steckt schon im Wort: Konstant meint gleichbleibend über der Frequenz und sagt nichts über den Betrag. Ein Lautsprecher mit durchgehend 120 Grad horizontaler Abdeckung ist genauso richtwirkungskonstant wie einer mit 60 Grad. Welcher von beiden in einen Raum passt, entscheidet die Sitzanordnung und die Wandsituation — die Konstanz entscheidet nur, ob die Klangfarbe innerhalb dieser Abdeckung überall dieselbe ist.

Der zweite Kurzschluss betrifft die Bauform. „Horn, Waveguide oder Zeile — also konstant" gilt so nicht. Eine Zeile aus mehreren Chassis etwa bündelt vertikal stark, aber ihr Bündelungsverhalten hängt vom Verhältnis zwischen Chassisabstand und Wellenlänge ab und wechselt über der Frequenz erheblich; sie ist damit gerade kein Beispiel für Konstanz. Bauform ist ein Mittel, Konstanz ein Ergebnis, und der Weg vom einen zum anderen führt über die Auslegung.

Nicht zu verwechseln mit

• Bündelungsmaß: die Größe, mit der Richtwirkung gemessen wird. Richtwirkungskonstanz ist eine Aussage über ihren Verlauf über der Frequenz, nicht über ihre Höhe.
• Enge Richtwirkung: ein hohes Bündelungsmaß. Ein stark bündelnder Lautsprecher kann sehr unstetig sein, ein breit abstrahlender sehr konstant.
• Nomineller Abstrahlwinkel: die Datenblattangabe der Form „90 × 60 Grad". Sie beschreibt einen Zustand bei einer Frequenz oder in einem Mittel, und genau die Frage nach dem Verlauf lässt sie offen.
• Horn und Waveguide: Bauteile, mit denen Richtungssteuerung erzeugt wird. Ob eine bestimmte Ausführung konstant arbeitet, sagt der Name des Bauteils nicht.
• Frequenzgang auf Achse: eine Messung in einer einzigen Richtung. Zwei Lautsprecher mit identischer Kurve auf Achse können sich im Abstrahlverhalten vollständig unterscheiden.

In der Planung

Ein Mediaroom mit breiter Sitzbank, dahinter eine zweite Reihe an der Rückwand. Zu klären ist zuerst die gewünschte Abdeckung: Für wie viele Plätze soll die Klangfarbe gleich sein — für den mittleren Platz, für die ganze Bank oder für beide Reihen?

Die Antwort legt das Verfahren fest. Soll nur der mittlere Platz stimmen, genügt eine Ausrichtung auf diesen Punkt, und alles Weitere löst die Anordnung. Soll die ganze Bank stimmen, muss der Winkel, unter dem die äußeren Plätze sitzen, über den ganzen Übertragungsbereich in der gleichmäßigen Abdeckung liegen — das ist die Bedingung, für die Richtwirkungskonstanz gebraucht wird. Die Geräteauswahl steht am Ende und stellt dann eine engere Frage als „welcher Lautsprecher": Gibt es zu diesem Modell Abstrahldaten über Winkel und Frequenz, und wie tief hinunter reicht die Steuerung?

Die Reihenfolge ist deshalb wichtig, weil sich Richtwirkung als einzige der drei Größen später nicht mehr korrigieren lässt. Pegel und Frequenzgang am Hörplatz sind einstellbar, die Sitzposition ist im Rahmen der Möblierung verschiebbar — das Abstrahlverhalten steckt im Gerät.

Verknüpfte Inhalte

Wie Richtwirkung gemessen und in Zahlen gefasst wird, steht bei Richtwirkung und Bündelungsmaß; die Bauteile, mit denen sie erzeugt wird, bei Horn und Waveguide sowie bei Line Source und Zeilenstrahler. Warum die Trennfrequenz über den Sprung im Abstrahlverhalten mitentscheidet, erklärt der Eintrag zur Frequenzweiche. Was der Direktschall und was das Diffusfeld am Hörplatz beitragen, steht bei Direktschall und Diffusfeld sowie beim Hallradius. Den vollständigen Messsatz mit Hörfenster, frühen Reflexionen und Schallleistung behandelt der Eintrag zum Spinorama.

Quellen

Geltungsbereich und Ausgabe von ANSI/CTA-2034 sind am Katalogeintrag der Consumer Technology Association geprüft; der Normtext lag nicht vor. Die Datierung des CD-Horns auf Keele 1975 bei Electro-Voice, der Aufbau der Kontur und die Einordnung von Geddes als maßgeblicher Beleg für die Waveguide-Theorie stammen aus dem internen AVITECT-Recherchebriefing zu den elektroakustischen Primärquellen, das Bibliografie und Abstracts geprüft hat. Die untere Grenze der Richtungssteuerung, das Verhalten am Übergang zwischen zwei Wandlern und die Grenzen automatischer Einmessung folgen dem Fachbeitrag von Nyal Mellor. Die Auslegungsziele eines Waveguides — angepasster Abstrahlwinkel bei der Trennfrequenz, gleiche Klangbalance von Nachhall und Direktschall — sind als Herstellerangabe von Genelec belegt.