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Zur Wirkung des Doppler- Effektes bei dem Breitbandlautsprecher VP160

Lautsprecher, die ausschließlich mit Chassis bestückt sind, die den Schall über den gesamten Frequenzbereich abstrahlen, werden Breitbandlautsprecher genannt. Solchen Lautsprechern werden in Veröffentlichungen oft nachteilige Eigenschaften durch ausgeprägte Intermodulationsverzerrungen nachgesagt. Als deren vordergründig genannte Hauptursache gilt weithin der Dopplereffekt D.E. Obwohl der Breitbandlautsprecher und Punktstrahler VP160 zur Unterstützung tiefer Frequenzen über ein weiteres Chassis verfügt, erscheinen die folgenden Überlegungen geeignet, dieses Vorurteil richtig zu stellen.

Schallwellen breiten sich in Luft mit Schallgeschwindigkeit aus. Die empfangene Frequenz erhöht sich bzw. die empfangene Wellenlänge verkürzt sich, wenn sich eine Schallquelle auf den Empfänger zu bewegt. Die sich ausbreitende Welle wird also gewissermaßen gestaucht. Dieses Phänomen ist nach dem österr. Physiker Christian Doppler (1803 - 1853) benannt, der das zugrunde liegende Prinzip 1842 formulierte. "Wenn eine Schallquelle, die einen Ton mit konstanter Frequenz (Tonhöhe) emittiert, sich auf einen Beobachter zubewegt, so hört dieser einen höheren Ton. Entfernt sich die Schallquelle von ihm, so hört er einen tieferen Ton". Jeder kennt den Effekt, wenn er am Straßenrand stehend, Autos vorbeisausen hört. Solche Frequenzänderungen sind jedem geläufig von Rennwagen, Lokomotivpfeifen oder Autohupen und gut zu hören, wenn das betreffende Fahrzeug vorüberfährt.

Beispiel:

Ein Kfz mit Signalhorn mit fs= 400 Hz bewegt sich mit 108 km/h entsprechendvs= 30 m/s auf den Empfänger zu, wobei die Schallgeschwindigkeit v= 330 m/s betragen soll. Die Emfangsfrequenz beträgt dann fe= fs* 1/(1- vs/v)= 440 Hz. Beim Empfänger wird also die Wellenlänge um den Betrag (1- vs/v) verkürzt. Entfernt sich das Kfz, kehrt sich das Vorzeichen von vs/v um und die Frequenz beim Empfänger sinkt entsprechend. Die dabei auftretende Frequenzänderung des
vom Signalhorn ausgesendeten Tones von 440 Hz auf 360 Hz wird wahrgenommen.

Grundsätzlich bewirken Annäherung oder Fortbewegung der Schallquelle einen Frequenzanstieg oder Frequenzabfall des von der Schallquelle ausgehenden Signales beim feststehenden Zuhörer. Ebenso kann sich der D.E. bei Lautsprechern bemerkbar machen, sofern Töne verschiedener Frequenzen gleichzeitig von einer Membran abgestrahlt werden. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn eine Membran mit großer Amplitude, z.B. bei 50 Hz sinusförmig schwingt und zusätzlich ein weiterer, höherer sinusförmiger Ton, mit z.B. 1 kHz überlagert ist. Dann wird durch die 50 Hz- Bewegung der Membran in Richtung Hörer der höhere Ton etwas höher und bei Fortbewegung der Membran etwas tiefer. Mit anderen Worten: Der höhere Ton wird durch den tiefen Ton frequenzmoduliert.

Der auftretende Effekt ist vergleichbar mit Gleichlaufschwankungen bei Ton-
bandgeräten, er bewirkt, daß hohe Töne bei zunehmend großen Membranbewegungen durch große niederfrequente Signalamplituden zunehmend rauher klingen. Der D.E. würde besonders bei Breitbandlautsprechern auftreten, weil diese gleichzeitig tiefe und hohe Töne über die gleiche Membranfläche abstrahlen. Bei Mehrwegesystemen würden dagegen tiefe und hohe Frequenzanteile über jeweils getrennte Chassis abgestrahlt, wodurch die direkte Ursache des D.E. vermieden würde. Dafür treten mannigfache nachteilige Effekte auf wie Frequenzauslöschungen durch Interferenzen, unerwünschte Phasendrehungen bei den Trennfrequenzen,  unterschiedliche Gruppenlaufzeiten der Chassis mit für das Gehör irritierend und ermüdend wirkenden Eigenschaften, , ,
Der Literatur ist z.B. zu entnehmen: "Da Verzerrungen im Bereich 500 Hz...4 kHz am deutlichsten zu hören sind und Intermodulation am stärksten durch den großen Membranhub tiefer Frequenzen ausgelöst wird, sind die 3-Wege-Systeme, in denen Bässe (Frequenzen < 500 Hz) und Mitten (Frequenzen 500 Hz...4 kHz) auf getrennten Chassis abgestrahlt werden, 1-Wege- und 2-Wege-Konstruktionen deutlich überlegen." Aber nirgends habe ich vom eigentlichen Pferdefuß dieser Behauptung gelesen, daß der D.E., wenn überhaupt, erst bei max. Lautstärke niederfrequenter Schallanteile an Einfluß gewinnen würde und erst dann, wenn überhaupt, wahrnehmbar wäre. Fakt ist nämlich, daß bei einer Reduzierung des niederfrequenten Membranhubes auf die Hälfte auch der Einfluß des Doppler- Effektes auf die Hälfte absinken würde.

Bleiben wir also bei den Fakten und entleihen uns die obige Feststellung, daß Verzerrungen im Hörbereich am besten zwischen 500 Hz bis 4 kHz, mit dem geom. Mittel von 1414 Hz wahrnehmbar sind und verwenden diese obere Frequenz für weitere Betrachtungen, dazu die untere Frequenz 80 Hz, weil die eine höhere Geschwindigkeit als 50 Hz bewirkt und zusätzlich erweitern wir den max. Hub der Membran auf +/- 10 mm, also insgesamt 2 cm(ss) Hub und auch die Tatsache wollen wir nicht außer Acht lassen, daß die Geschwindigkeit des niederfrequenten Membranhub bei sinusförmigem Verlauf beim Nulldurchgang am größten ist.

Nebenrechnung:

Die max. momentane niederfrequente Membrangeschwindigkeit ist:
Eine 80 Hz- Halbwelle währt 1000 ms/ (2*80 Hz)= 6.25 ms. Während dieser Zeit bewegt sich die Membran zum Hörer hin- oder weg. Der maximale Hub beträgt 1.57* 20 mm= 31.4 mm. Die max. Geschwindigkeit beim Nulldurchgang beim größten anzunehmenden sinusförmigen Membranhub bei 80 Hz ist 31.4 mm/ 6.25 ms= 5.02 m/s.

fe= fs* 1/(1 -/+ vs/v)=
fe= 1414/ (1 -/+ 5.02/330)= 1414 +/- 21.5 Hz entsprechend +/- 1.52 % Abweichung.

Bei halbem Membranhub (10 mm(ss)) beträgt die Abweichung +/- 0.76% und bei einem Viertel Membranhub (5mm (ss))  beträgt die Abweichung nur noch +/- 0.38 %.

Es ist zu erkennen, daß der Einfluß des D.E. dem Hub der Membran direkt proportional ist und bei abnehmender Lautstärke gänzlich unwirksam ist, eine Erkenntnis, von der die Literatur leider nichts berichtet. Aus Litereratur ist jedoch zu entnehmen, daß FM- Modulationen erst ab einem Modulationsgrad zwischen 1 bis 5 % je nach Zuhörer wahrgenommen wird. Das bedeutet unterm Bruchstrich, daß der Dopplereffekt auch bei den höchsten Lautstärken des Punktstrahlers VP160 in aller Regel praktisch nicht wahrnehmbar ist. Das Dargelegte läßt erkennen, dass diesbezügliche Äußerungen mancher Autoren völlig grundlos sind.

Die in mancher Literatur für Breitbandlautsprecher und besonders Punktstrahler angegebenen Nachteile stellen sich bei Licht betrachtet als unbegründet heraus, weil der bei tiefen Frequenzen mit hohen Lautstärken auftretende maximale Hub der Membran fälschlicherweise generell, also auch bei niedrigen Lautstärken, in deren Betrachtungen zugrunde gelegt wird. Die von manchen Autoren für Punktstrahler gezielt herbeigeredeten Modulationsverzerrungen existieren nicht in der stark überspitzt angegebenen Form. Damit sind solche Behauptungen grundsätzlich nicht geeignet, von den mannigfachen Mängeln der konkurrierenden Mehrwege- Lautsprecher abzulenken.

Dipl.-Ing.(FH) Kurt Vogel