Kapitel 2: Grundzüge der Resonanztheorie

Vorwort zu unseren Grundlagen

Als wir die Resonanzmethode vor einigen Jahren öffentlich in einigen Foren als Volumenmethode vorstellten, hat dies für reichlich Zündstoff gesorgt. In heißen Diskussionen hat man uns oftmals als Unwissende des Voodoos beschimpft und ausgelacht. Seit dieser Zeit sind viele Tage ins Land gegangen und es freut uns daher um so mehr, daß sich mittlerweile viele ambitionierte Selbstbauer sich dieser Methode angenommen haben und sich ernsthaft damit auseinander setzen. Wir bekommen nach wie vor zahlreiche Zuschriften mit der Bitte um Hilfe in der praktischen Abstimmarbeit und die Resonanz ist durchweg als sehr positiv zu bezeichnen. Es reizt halt den passionierten Musikliebhaber, ein Mehr an Räumlichkeit zu erhalten, ein Plus an Feinzeichnung in Verbindung mit einer völlig unangestrengten Musikwiedergabe.
Die Kritik lag daher wahrscheinlich mehr an unseren Äußerungen zur Meßtechnik als zur Methode an sich, denn viele Selbstbauer sahen sich ihres objektiven Handwerkszeugs beraubt, mit der es möglich sein sollte Lautsprecher zu entwickeln. So ist in den seltensten Fällen eine wirklich fruchtbare Diskussion entstanden.
Wir möchten Ihnen mit diesem Thesenpapier die Resonanzmethode vorstellen und ihre Funktionsweise erklären, die sich dem Selbstbauer auf rein empirischen Weg erschließt. Wir sehen unseren Weg als einen alternativen Weg in der Konstruktion von Lautsprechern. Auch wir verwenden nach wie vor die Meßtechnik, auch wir arbeiten nach wie vor mit den TSP, auch wir brauchen nach wie vor Weichenbauteile. Wir sehen diese Dinge jedoch als Hilfsmittel und nicht als Mittel zum Zweck. Aus diesem Grund werden wir keine Messungen veröffentlichen. Das Entscheidende ist nämlich Ihr eigener Hörraum mit seinen Gegebenheiten und Ihre eigene Elektronik. Wir geben Ihnen nur das Werkzeug an die Hand, arbeiten müssen jedoch Sie. Sie bauen keine Plug&Play Lautsprecher. Das Abstimmen erfordert eine intensive Beschäftigung mit dem Lautsprecher und so kann es sich mitunter wochenlang hinziehen, bis das Ergebnis stimmig ist. Die Entschädigung ist jedoch eine Räumlichkeit bei Breitbändern, die nicht auf das Stereodreieck beschränkt ist, eine dreidimensionale Darstellung der Musik, die sich völlig vom Lautsprecher löst und eine wirklich streßfreie Musikwiedergabe ohne Härten.

Das Maß aller Dinge zur klanglichen Beurteilung ist immer noch das eigene menschliche Gehör, daß auch in den kommenden Jahrhunderten immer noch rein subjektiv, jedem Meßsystem zum Trotz, über den Klang entscheidet. 
Vertrauen Sie ihren eigenen Ohren!

Grundzüge der Resonanztheorie

Die Grundlagen der Resonanztheorie basieren im Gegensatz zu den herkömmlichen Theorien zur Dimensionierung von Lautsprechergehäusen auf einen anderen philosophischen Grundmodel. Während für die heutige Lautsprechertechnik die Thiele Small Parameter und der Einsatz der Meßtechnik unverzichtbare Arbeitsmittel sind, spielen diese beiden Faktoren in der Resonanztheorie eher eine untergeordnete Rolle. Der Berliner Lautsprecherentwickler Jan Sasse hat schon sehr früh erkannt welche Auswirkungen die Volumenänderungen auf einen Lautsprecher haben.
Durch die jetzt schon langjährige Zusammenarbeit mit Jan ist es uns gelungen diese Arbeit aufzunehmen und ständig weiter zu verfeinern.
In ihrer Kernaussage beschreibt diese Methode, daß bei der Entwicklung und Abstimmung eines Lautsprechers, das Chassis immer in seinem Gesamtgefüge gesehen und abgestimmt werden muß. D.h. in Wechselwirkung mit dem Gehäuse, dem Raum und dem Dämpfungsfaktor des Verstärkers. Wie sich das im Einzelnen verhält, werden wir in diesem Artikel zu klären haben.

Wie es dazu kam

Anfang 1990 unternahm Jan die ersten Gehversuche, die in der Resonanztheorie münden sollten. Unzufrieden mit dem Klang vieler Lautsprecherkonstruktionen, die am virtuellen Reißbrett konzipiert und meßtechnisch auf linealglatte Frequenzgänge gezüchtet wurden, machte sich Jan eingehend Gedanken über die Wirkungsweise der Chassis im Zusammenspiel mit Raum und Verstärker. Er stellte bei den ersten Tests mit Breitbandlautsprechern fest, daß der Klang des Lautsprechers sich bei kleinen Veränderungen des Volumens der Gehäuses ändert. Und zwar in solch einem Maße, daß sie gehörtechnisch nachweislich vorhanden waren, meßtechnisch jedoch nicht erfaßt werden konnte. Die "Resonanzmethode" war geboren. In der Folgezeit gelang es ihm, das Phänomen auf empirischen Wege zu verstehen und erfolgreich anzuwenden. Dabei veränderte er solange das Volumen eines geschlossenen Lautsprechers, bis sich der Klang vom Lautsprecher löste. Er beobachtete und hörte ein interessantes Phänomen: Je mehr der Klang sich anfing vom Chassis zu lösen und räumlicher zu klingen, desto mehr verschwanden analog dazu die Härten im Klangbild und wichen einer sauberen, federleichten und vor allem unangestrengten Wiedergabe. Die Differenzierung, Kontur und Durchhörbarkeit im Bass nahm mit dem Maß zu, je näher sich das Chassis seinem Optimalvolumen näherte. Die Räumlichkeit nahm dabei derart dramatisch zu, daß nach der Abstimmung das Chassis selbst in einem Meter Abstand, nicht mehr als Schallquelle zu orten war
Im Laufe der Zeit perfektionierte Jan Sasse diese Methode und dehnte sie auf Tieftöner, Mitteltöner und sogar Hochtöner aus. Till Römhild übernahm Mitte der 90er mit wachsendem Erfolg diese Methode in seine seine Entwicklungen. Anfang 2000 stieß Raffi Bauer dazu. Seit dieser Zeit ist die Resonanzmethode integraler Bestandteil unserer Entwicklungen und wird ständig verfeinert und ausgedehnt. Seit Mitte 2006 ist Werenfrid Döpper im hornlautsprecher.de-Team. Raffi Bauer und Till Römhild haben während Ihrer beruflichen Zusammenarbeit das Label Klangform Akustik geführt. In dieser Zeit ist u.a. die Replikon im Test der Image Hifi erschienen.
Bevor wir nun im Einzelnen näher auf diese Methode eingehen, wenden wir uns kurz einmal dem herkömmlichen Wege einer Lautsprecherkonstruktion zu.

Der herkömmliche Weg einer Lautsprecherkonstruktion

Betrachten wir zunächst die gängige Praxis heutiger Lautsprecherentwicklung. Grundlage aller heutigen Entwicklungen sind die TSP. Diese von Thiel und Small eingeführten Parameter dienen dazu, ein Lautsprecherchassis pysikalisch zu beschreiben und so einen Weg der Berechenbarkeit zu ermöglichen. Auf diesem Grundmodell entstehen bis zum heutigen Tage zahlreiche Simulationsprogramme, die dieses System als Berechnungsgrundlage verwenden. Durch das Voranschreiten der Messtechnik ist es heute möglich, die vielfältigsten Messungen, am und rund um den Lautsprecher vorzunehmen. Es ist möglich Frequenzgänge zu messen, die Schallenergie in jedem erdenklichen Winken zu bestimmen und sie bei der Konstruktion miteinzubeziehen.
Es ist heute möglich, den fertigen Lautsprecher komplett am PC zu entwerfen und sein Verhalten im Vorfeld zu simulieren. Ein bequemer und unter absatzpolitischen Gesichtspunkten kostengünstiger Weg der Entwicklung. So wird zunächst anhand der TSP ein Gehäusekonzept ausgesucht. Dann erfolgt die grobe Abstimmung in welcher das Gehäsuevolumen in der Regel auf eine Güte von 0,7 (Butterwoth Alignment) abgestimmt wird. Die Messung des Treibers in diesem Gehäuse offenbart den Frequenzgang, der wiederrum als Grundlage des Filternetzwerks dient. Optimiert wird hierbei auf einen möglichst linearen Frequenzgang, um die Verfärbungen auszumerzen. Dann folgt im Regelfall eine gehörtechnische Optimierung, bei der noch einmal das Filterdesign oder die verwendeten Frequenzweichebauteile optimiert werden. Diese zugegebenermassen vereinfacht dargestellte Form der Entwicklung zeigt, daß bei dieser Art der Entwicklung ein Treiber aufgrund seiner Parameter in ein vordefiniertes physikalisches Muster eingepasst wird. Der Entwickler bestimmt den Einsatzzweck und die Wirkungsweise des Chassis innerhalb seines physikalisch beschreibbaren Umfeldes. Er simuliert, er misst und optimiert anhand der vorgegebenen Gegebenheiten. Hierbei entscheiden die TSP über den Einsatzzweck.

Grenzen der Messtechnik

Dennoch bleiben bei zugelassener Kritik einige offene Fragen, die es zumindest einmal zu erwähnen gilt. Sie sollen nur als Anhaltspunkt dienen, sich einmal selbstkritisch mit der Materie auseinaderzusetzen.
Da Lautsprechermessungen als Grundlage der weichentechnischen Abstimmung dienen, muß die Frage nach den Grenzen der Messbedingungen gestattet sein. Kann eine Messung im schalltoten Raum, die ja möglichst ein unverfälschtes Ergebnis liefern soll, dazu dienen ein Filternetzwerk zu konstruieren, wenn eine spätere Aufstellung im Wohnraum von ganz anderen Hörbedingungen ausgeht? Kann es eine messtechnische Norm geben, die als objektiver Garant für eine subjektiv empfundene  Musikwiedergabe dienen kann? Anders gefragt: Ist es möglich "guten Klang" zu messen? Kann es diese objektive Norm überhaupt geben? Kann ein gemessenser Frequenzgang, der ja im Grunde genommen nur eine Momentaufnahme in einer nicht alltäglichen Situation ist, als Maßstab für eine subjektive empfundene Musikwiedergabe im Hörraum dienen? Kann die Messtechnik im Allgemeinen, eine verobjektivierbare Aussage liefern ob ein Lautsprecher "gut" oder "schlecht" klingt? Anders gefragt: Kann sie uns objektiv sagen, wie ein Lautsprecher subjektiv empfunden klingt? Nun, diese Fragestellungen sind durchaus nicht neu, für die Beschäftigung mit der Resonanztheorie jedoch nicht ganz unerheblich, da unsere Methode darauf eine sehr unkonventionelle Antwort gibt.
Wenn man diese Problematik noch weiter fassen will, gesellt sich noch ein gesellschaftliches Phänomen dazu. Der Mensch der Postmoderne in der westlichen Zivilisation, scheint diesen scheinbar objektiven Halt zu brauchen. Dinge, die einem pysikalisch beschreibbaren Zustand folgen, sind erklärbar, berechenbar, glaubbar und in gewissen Rahmen bedienbar. Im Umkehrschluß werden Dinge, die sich pysikalisch nicht erklären lassen in den Bereich der Religion verbannt, bis die Forschung weiter fortgeschritten ist, um es "beweisen" zu können. Die Forschungsgeschichten der Neuzeit beschreiben diese Phänome zuhauf.
Wenn Sie sich ernsthaft die Frage stellen, wie sie einen Lautsprecher beurteilen, werden Sie antworten: "Ich höre ihn mir an" und nicht "Ich sehe mir man den Frequenzschrieb an". Nun, wenn wir mit all diesen Fragen ein wenig spitzfindig übertreiben, tun wir das nicht um Sie zu ärgern, sondern um Sie für dieses Thema zu sensibilisieren. Ich denke wir gehen alle mit der Meinung konform, daß wir bei der Beurteilung eines Lautsprechers auf unser eigenes Gehör und unseren eigenen Geschmack angewiesen sind.
Mit der Resonanzmethode machen wir im Grunde genommen nichts anderes, als unser Gehör und unseren persönlichen Geschmack für die Abstimmung zu nutzen, und so die Grenzen der Messtechnik zu überwinden und Lautsprecher perfekt auf unsere Hörsituation hin, zu kreieren.

Die Resonanztheorie

Wir haben gesehen, daß bei der herkömmlichen Konstruktionsweise die TSP und der Entwickler den Einsatzzweck des Chassis vorgeben. Wir gehen mit der Resonanzmethode den umgekehrten Weg. Das Chassis selbst teilt dem Entwickler mit, in welchem Gehäuse er sein Klangpotential ausreizt. Dies erschließt sich dem Musikliebhaber jedoch auf rein empirischen Weg duch das Gehör, denn erst bei einem bestimmten Volumen steht das Chassis in perfekter Resonanz zu Gehäuse, Raum und Verstärker. Erst hier kann das Chassis seine räumlichen Wiedergabequalitäten entfalten, welches sich durch ein perfektes Lösen des Klangbildes vom Chassis äußert, seine Härten einer für das Ohr angenehmen Wiedergabe weichen. Dieses Volumen ist wiederum abhängig von der Raumgröße und dem Dämpfungsfaktor des Verstärkers und muss in jedem Raum und an jeder Kette neu ermittelt werden. Diese Wirkweise ist mit der herkömmlichen Messtechnik zur Zeit noch nicht erfassbar und kann nur mit dem besten Messsystem nachvollzogen werden, dem menschlichen Gehör. So ist es dem Gehör ohne Weiteres möglich, auf ein Volumen von z.B 44 Litern einen Unterschied von 25 ml zu hören. Nun werfen Sie bitte keine Holzkrümel durch ihr BR Rohr und lauschen was sich tut. Die Sache ist schon etwas subtiler und erfordert ein wenig bedachteres Vorgehen.

Die Praxis des Abstimmens

Bei der Entwicklung wird zuerst das Chassis in ein geschlossenes Gehäuse eingebaut, das bewusst zu groß konzipiert wurde. Hier geben uns sinnigerweise die TSP Parameter einen Anhaltspunkt, nämlich das Verhältnis des Q_TS zum V_AS. Leider können wir bis heute keine genauen verlässlichen Prognosen machen, obwohl wir alle Fallbesipiele sammeln, um langfristig ein Muster erkennen zu können. Wichtig ist hierbei auch die Einspannung des Lautsprechers, die einen nicht unerheblichen Einfluß auf das optimale Volumen besitzt.
Nehmen wir z.B einen Breitbandlautsprecher den Fostex FX200. Seine entscheidenden Paramater sind sein V_AS mit knapp 85 Litern und sein Q_TS mit 0,45. Eine große Güte bedeutet in der Regel ein etwas größeres Gehäuse. Wir legen daher unser Testmodell mit knapp 40 Liter geschlossen aus und lauschen wie das Chassis spielt. Auffallend ist zuerst das lahme Klangbild. Der Bass spielt unkonturiert, Stimmen klingen irgendwie unnatürlich. Nun wird das Gehäuse grob abgestimmt und mittels Styropor oder Holzstücken verkleinert. Bei 30 Litern angekommen haben wir nun wesentlich mehr Kontur im Bassbereich. Der Mittel Hochtonbereich spielt wesentlich stimmiger aber Marla Glenn klingt nach wie vor wie Frank Sinatra. Auffallend ist jedoch, daß nun mehr Räumlichkeit gegeben ist als in dem 40 Liter Gehäuse. Wir verkleinern nun in kleineren Schritten und merken, daß nun auch geringere Volumenänderungen von 250-500 ml deutliche Unterschiede zutage fördern. So wird die Räumlichkeit immer präziser uns stabiler und die harte agressive Hochtonwiedergabe beginnt angenehmer zu werden. Bei knapp 25 Litern fängt das Klangbild an, sich vom Chassis zu lösen, Marla Glenn ist nun wiederzuerkennen und der Hochtonbereich scheint feiner aufzulösen. Die Härten sind fast verschwunden.
Ab diesem Punkt gehen wir in kleineren Schritten vorwärts, bis das Klangbild sich vollkommen vom Chassis gelöst hat. Das klangliche Ergebnis zeigt nun einen konturreichen Bass, einen sanften Hochtonbereich und wesentlich mehr Volumen in der Stimme und eine phantastische Räumlichkeit. Wird das Volumen unseres FX 200 indes zu klein, kippt das Klangbild ins Agressive, der Hochtonbereich schreit wieder und klingt gepresst. Ebenso wirkt die Stimme eingeschnürt und der Bass wirkt gehemmt und klingt überdynamisch. Diese Methode kann bei einem geschulten Gehör und wenn man es auf die Spitze treiben will, bis in den Mililiter Bereich treiben. Auch wenn es sich im Text recht einfach anhört, in der Praxis setzt es Geduld und die Entwicklung eines Gespürs für das Chassis vorraus. Wer sich jedoch einmal darauf eingelassen hat und so das Letzte aus einem Chassis herausgeholt hat, wird sich so schnell nicht wieder mit konventionellen Konstruktionen zufrieden geben.
Diese zugegebenermaßen recht einfach beschriebene Darstellung der Abstimmung ist im Grunde das ganze Geheimnis der Resonanzmethode. Sie ist eigentlich so einfach wie sie banal ist. Das klangliche Ergebnis ist jedoch faszinierend anders.

Was geschieht also bei einer Volumenänderung?

Wir können auf diese Frage keine eindeutige physikalische Antwort geben. Rein theoretisch wird, durch die Volumenveränderung des Lautsprechergehäuses, der Einschwingvorgang des Chassis in seinem Umfeld optimiert und auf den Raum und den Dämpfungsfaktor des Verstärkers abgestimmt. Ist sein Einschwingvorgang nahezu optimiert, wird dies durch eine völlig losgelöste und unangestrengten Musikwiedergabe belohnt. Das Revolutionäre an dieser Abstimmarbeit ist im Grunde genommen, daß der Entwickler das Chassis gehörmässig abstimmt.

Der Dämpfungsfaktor des Verstärkers

Jeder Lautsprecher tritt bei seiner Wiedergabe in eine Wechselwirkung mit Raum, Gehäuse und Verstärker. Aufgrund dieses sich in jedem Raum ändernden Feder Dämpfungssystem, ist es jedoch notwendig das Volumen des Lautsprechers auf die gegebenen Hörraumverhältnisse anzupassen, um den Lautsprecher in Resonanz zu bringen. Dabei zeigt sich in der Praxis, dass je größer der Raum ist, desto kleiner das Volumen des Lautsprechers sein muss.
Ebenfalls zeigt sich in der Praxis, dass der Dämpfungsfaktor des Verstärkers eine nicht unwesentliche Rolle zu spielen scheint. Je geringer die Dämpfung des Verstärkers, desto größer wird das erforderliche Volumen ausfallen und je größer die Dämpfung desto kleiner wird das Gehäusevolumen ausfallen. In der Praxis kann im ungünstigsten Fall, bei einem Röhrenverstärker mit geringer Dämpfung und einem sehr kleinen Raum, im Gegensatz zu einem Transistorverstärker mit großer Dämpfung und einem großen Raum, das Optimalvolumen um bis zu 15% differieren.
Um sich diese Grundgedanken bildlich vorzustellen nehmen wir das Bild als Grundlage

Damit das System immer im Gleichgewicht bleibt, müssen die Summen der Dämpfungssysteme und der Federn immer gleich bleiben. Verkleinere ich den Dämpfungsfaktor des Verstärkers wird weniger Kontrolle auf das Chassis ausgeübt. Das muss wiederum durch eine Korrektur eines anderen Parameters behoben werden. Da wir nicht den Raum wechseln wollen, müssen wir somit die Druckkammer hinter dem Lautsprecher vergrößern, um wieder ein Gleichgewicht zu erhalten. Denn je größer die Druckkammer wird, desto größer wird die entgegengebrachte Dämpfung. Gleichzeitig erhöht sich die Federwirkung im Gehäuse, welche aber durch den elektrischen Einfluss des Verstärkers auf den Lautsprecher kompensiert wird.
Betrachten wir das Schaltbild bei einem Raumwechsel. Die Elektronik bleibt gleich. Wird der Raum größer, nimmt die Dämpfung zu, während die Federwirkung nachlässt. Um diesem Zustand wieder entgegenzuwirken, muss die Dämpfung im Gehäuse kleiner werden bei gleichzeitiger Vergrößerung der Federsteifigkeit im Gehäuse. Das kann nur durch eine Verkleinerung des Volumens erreicht werden.
Und genau das Besagt die Resonanztheorie. Das Chassis, das Volumen hinter dem Treiber, das Volumen vor dem Treiber und der Verstärker müssen im Einklang miteinander stehen. Alle Parameter müssen dann proportional zueinander stehen.

Kleinerer Raum à größeres Volumen in der Box

Größerer Raum à kleineres Volumen in der Box

Kleinerer DF des Verstärkers à größeres Volumen in der Box

Größerer DF des Verstärkers à kleineres Volumen in der Box

Unsere Versuche haben gezeigt, daß ein Röhrenverstärker, der in der Regel einen niedrigeren DF gegenüber einem Transistorverstärker hat, auch in den Abstimmungen um ca. 15-20% über dem Volumen des Transistorverstärkers liegt.

Grenzen der Resonanzmethode

Es soll nicht verschwiegen werden, daß auch die Resonanzmethode ihre Grenzen hat. So ist es nicht möglich aus einem schlechten Chassis ein gutes Chassis zu machen. Wir sind auch nicht in der Lage mit dieser Methode einen Mitteltonanstieg eines Breitbänders auszugleichen oder Frequenzgangfehler zu korrigieren. Wir haben lediglich die Möglichkeit ein recht lineares Chassis so abzustimmen, daß der Klang nicht am Chassis klebt, sondern sich vollkommen davon löst und zwar auch dann, wenn Sie ca. 1 Meter vor dem Chassis stehen. Es exisistiert keine Rechts Mitte Links Ortung mehr. Das zweidimensionale Klangbild weicht einer dreidimensionalen Bühne.

Ausblick

Alle unsere Entwicklungen entstehen auf dieser Basis. Alle Bauvorschläge dieser Seite haben großzügig dimensionierte Volumina, um in allen räumlichen Gegebenheiten Spielraum für das eigene Experimentieren zu schaffen. Ein von Ihnen nachgebautes System bietet Ihnen jedoch schon von Anfang an ein sehr gutes Ergebnis, da die Voluminas in Nähe ihres Optimalvolumens spielen. Mit der Resonanzmethode wollen wir Ihnen zusätzlich die Möglichkeit an die Hand geben, ihren Lautsprecher mit ein wenig Geduld vollends zu optimieren. Gerne geben wie Ihnen Hilfestellungen per mail und veranstalten bei Interesse auch einen Workshop, in der wir die Praxis des Abstimmen einmal vorführen.



Viel Freunde beim Erleben neuer Klangdimensionen wünscht Ihnen

das Hornlautsprecher.de-Team