30. Okt. 2000

Messungen zu Erkundung des Schallerzeugungsvorgangs

Als Hersteller von Lautsprechern sind wir auf erhebliche Unstimmigkeiten in der herrschenden Schallentwicklungstheorie gestoßen und haben versucht, durch eigene Untersuchungen herauszufinden, wie der Schallerzeugungsvorgang tatsächlich abläuft.

Die folgenden Ausführungen sind reine Beschreibungen der durchgeführten Messungen. Unsere Interpretation der gefundenen Ergebnisse stellen wir in einer gesonderten Abhandlung auf Wunsch gerne zur Diskussion.

Wir haben verschiedene Versuchsaufbauten entwickelt, mit denen ein eindeutiger Bezug zwischen der Position einer schallerregenden Membran zu dem gemessenen Druck hergestellt werden kann.

Die beigefügten Dateien enthalten eine grafische Darstellung der Versuchsanordnungen V1, V2a und V2b.

Versuch 1

Dieser wurde mit drei verschiedenen Tieftönern von 175, 250 und 280 mm Korb- Ø, in Gehäusen von 12, 26 und 35 Litern an mehreren Orten und zu verschiedenen Zeiten mit immer denselben Ergebnissen durchgeführt.

Ein in ein geschlossenes Gehäuse eingebauter Tieftonlautsprecher wird mit einem beliebigen Sinussignal kleiner als 400 Hz zum Schwingen gebracht. Ein Mikrofon wird an einem Halter so vor der Membran positioniert, dass bei deren Vollausschlag ihre mittig angebrachte Staubschutzkappe das Mikrofon gerade berührt.

Das von dem Mikrofon aufgenommene Signal wird auf einem Oszilloskop sichtbar gemacht. Die Berührung der Staubschutzkappe mit dem Mikrofon erscheint als Nadelimpuls auf dem Bildschirm, die Position dieses Impulses auf der x- Achse zeigt den Zeitpunkt, an dem die Membran ihre maximale Auslenkung hat.

Die Druckschwankungen, welche die schwingende Membran erzeugt, erscheinen als Sinuslinie auf dem Bildschirm. Es zeigt sich, dass zur Zeit der größten Membranauslenkung, also da wo der Nadelimpuls ist, maximaler Unterdruck herrscht.

Als Frequenz wurden alle Werte von 20 bis 400 Hz verwendet. Bei höheren Werten wird der Membranhub zu klein, der Berührungsimpuls ist nicht mehr sichtbar.

Versuch 1a
Das gleiche Experiment wurde nochmals an einem offenen Lautsprecher ohne Gehäuse, welcher dann ähnlich wie ein Elektrostat ein Schnelleerreger ist, durchgeführt. Das Mikrofon wurde zusätzlich auch von der Magnetseite an die Membranrückseite gebracht. Das Berührungssignal erschien immer ausschließlich im unteren Tiefpunkt des Schalldrucksignals.

Versuch 1b
Der Lautsprecher ist in eine unendliche Schallwand montiert, das Messergebnis ist gleich wie bei obigen Versuchen.

Um auszuschließen, dass ein Fehler vom Mikrofon, des Messverstärkers oder des Oszilloskops durch Phasendrehung vorliegt, wurde ein zweiter Versuch entwickelt:

Versuch 2a
Dieser dient der Sicherstellung, dass das am Oszi sichtbare Drucksignal proportional zu seiner Darstellung auf dem  Bildschirm ist, also ein Ausschlag nach oben tatsächlich Überdruck bedeutet.

Zunächst wird ein Lautsprecher untersucht, der ohne Gehäuse ist. Er führt eine sinusförmige Schwingung durch. Auf den zweiten Kanal des Oszilloskops wird das den Lautsprecher ansteuernde Verstärkersignal geschaltet und dieses zur Triggerung verwendet.

Das Mikrofon wird an der Membranvorderseite positioniert, die Phasenlage des Drucksignals zum Verstärkersignal wird notiert. Danach wird es zur Rückseite der Membran gebracht, es zeigt nun das Schalldrucksignal gegenphasig.

Wie nicht anders zu erwarten wurde hier bewiesen, dass von einer schwingenden Membran von beiden Seiten Schall abgestrahlt wird, der zueinander gegenphasig ist.

Versuch 2b
Der Lautsprecher erhält nun ein Gehäuse, das auf seiner Rückseite eine Öffnung besitzt, welche ein Einführen des Mikrofons in die Nähe der Membranrückseite erlaubt. Lochgröße und Außendurchmesser des Mikrofons sind gleich, sodass die Öffnung schalldicht verschlossen ist. So lassen sich die Druckschwankungen außen vor der Membran und im Gehäuse hinter der Membran durch Umpositionierung des Mikrofons abwechselnd darstellen. Bei der Außenposition des Mikrofons wird die Gehäuseöffnung durch einen Stopfen verschlossen.

Das vor dem Lautsprecher aufgenommene Schallsignal ist jetzt immer gleichphasig zu dem im Gehäuse gemessenen Drucksignal. Die beiden Signale unterscheiden sich nur in ihrer Amplitude, jedoch nicht in der Phase, erst in der Nähe von 1 kHz stellt sich eine leichte Phasenverschiebung ein, da auf der Rückseite das Mikrofon wegen des Lautsprechermagnets nicht unmittelbar an die Membran herangeführt werden kann.

In Versuch 1 wurde gemessen, dass bei Vollauslenkung der Membran nach vorn in diesem Moment maximaler Unterdruck herrscht. Nach Versuch 2B ist der Druck im Gehäuse gleichphasig, also auch hier größter Unterdruck. Dieses Ergebnis im Gehäuse war zu erwarten, da zu diesem Moment das im Gehäuse befindliche Volumen durch die nach außen ausgelenkte Membran am größten ist.

Der Versuch Nr.2 beweist also, dass das auf dem Bildschirm gezeigte Drucksignal richtig dargestellt wird.

Versuch 2c
Dieser Versuch wurde jetzt noch erweitert durch den Einsatz eines Speicheroszilloskops. Das Mirofon wird im Gehäuse positioniert, die Membran des Lautsprechers wird durch Anlegen einer Gleichspannung nach innen gelenkt und bleibt dort stehen. Dieser Vorgang wird von dem Speicheroszilloskop festgehalten. Es zeigt einen impulsartigen Ausschlag nach oben gefolgt von einem exponentiellen Abfall.

Somit ist wirklich sichergestellt, dass das auf dem Bildschirm dargestellte Signal proportional zum gemessenen Druck ist.
Obige Versuche wurden vor einiger Zeit mit unserer Neutrik Messeinrichtung und dem Neutrik- Kondensatormikrofon vorgenommen.

Versuch 2d
Mittlerweile haben wir diese Messungen mit dem Brüel & Kjaer Subsonikmikrofon 4193, dem Vorverstärker 2669 L und dem Nexus Verstärker 2690 X nochmals mit denselben Ergebnissen durchgeführt. Die untere Grenzfrequenz dieser Kombination ist 0,3 Hz, damit lassen sich mehrere Sekunden lang Gleichdruck beobachten.

Zu all diesen Versuchen ist anzumerken, dass das für die Tieftonwiedergabe äußerst wichtige Phänomen der Eigenresonanz in keiner Weise irgend einen Einfluss auf die Phase des Schalldrucksignals zur Membranposition hat.

Versuch 3a
Wir haben Messungen über den Einschwingvorgang vorgenommen, wieder mit dem Tieftöner im geschlossenen Gehäuse mit der Mikrofonposition außen wenige cm vor der Membran und der Signalaufzeichnung durch ein Speicheroszi.

Zunächst bekommt der Lautsprecher eine positive Gleichspannung angelegt, die Membran bewegt sich nach außen und bleibt dort stehen. Das Oszi zeigt einen positiven Impuls, gefolgt von einem aperiodischen Ausschwingvorgang. Als Einzelimpuls erzeugt die sich nach vorn bewegende Membran tatsächlich Überdruck.

Versuch 3b
Als zweites wird der Lautsprecher aus seiner Ruhelage durch eine sinusförmige Spannung gestartet, die zum Zeitpunkt ihres größten positiven Werts zugeschaltet wird. Auf dem Bildschirm sieht man für einen sehr kurzen Zeitraum einen steilen Druckanstieg auf etwa ¾ der späteren Amplitude mit nachfolgendem noch steilerem Abfall auf den negativen Maximalwert, der erreicht wird, wenn die Membran an ihrem vorderen Umkehrpunkt ist. Das heißt, mit der Vorwärtsbewegung wird in einem Zuge zunächst Überdruck und dann Druckabfall erzeugt, der Einschwingvorgang ist im vorderen Umkehrpunkt bereits abgeschlossen.