Gradient Design Prinzipien

Klingt in jedem Raum großartig

Im Laufe seiner Geschichte hat Gradient Lautsprecher entwickelt, die in normalen Wohnräumen optimal funktionieren. Was wie eine Selbstverständlichkeit erscheint, erforderte umfangreiche Forschungsarbeiten, um die Grundlage für das Design zu schaffen. Die daraus resultierenden einzigartigen Lösungen haben Gradient von seinen Mitbewerbern abgehoben. Seit den 1980er Jahren lautet der Slogan von Gradient „Klingt in jedem Raum gut“.

Sogenannte hochwertige HiFi-Lautsprecher werden anhand ihrer Klangkurven in einer schalltoten Kammer bewertet. Mit anderen Worten: unter Laborbedingungen, unter denen es keinen Nachhall, keine stehenden Wellen, kein Flatterechos gibt – also überhaupt keine sogenannte Raumakustik. Der Klang kommt nur von der Schallquelle. Bei solchen Messungen werden seit Jahrzehnten ausreichend perfekte Ergebnisse erzielt. Auf dieser Grundlage gab es kaum echte Fortschritte.

Bei ihren Forschungen in den frühen 1980er Jahren entdeckte das Produktentwicklungsteam von Gradient, dass Messungen in einer schalltoten Kammer nur einen kleinen Teil der tatsächlichen Leistung eines Lautsprechers wiedergeben. Wenn ein Lautsprecher, der unter Laborbedingungen hervorragende Leistungen erbrachte, in einem normalen Wohnzimmer aufgestellt wurde, war er nicht unbedingt besser als ein Produkt, das im Labor schlechter abgeschnitten hatte – oft war sogar das Gegenteil der Fall. Warum ist das so? Gradient machte sich auf die Suche nach einer Antwort auf diese Frage, und das Ergebnis war eine Eigenschaft, die allen Gradient-Produkten gemeinsam ist. Wir nennen dies „kontrollierte Richtwirkung”. Um dieses Phänomen zu verstehen, müssen wir zunächst mit den Grundlagen beginnen: Was macht Stereo eigentlich aus?

Der Gründer von Gradient, Jorma Salmi, präsentiert den Prototyp eines Lautsprechers mit kontrollierter Richtwirkung, den er 1982 für AAD entworfen hat.

Was macht Stereo eigentlich aus?

Von Zeit zu Zeit ist es auch für Experten von Vorteil, sich wieder mit den Grundlagen der Klangwiedergabe zu befassen. Was macht beispielsweise Stereo eigentlich aus?

Bei der stereophonen Klangwiedergabe haben wir zwei Kanäle. Was bedeutet das in der Praxis? Bei der Aufnahme können mehrere Mikrofone verwendet werden, aber der endgültige Mix wird immer auf zwei Kanäle reduziert: den rechten und den linken. Im Wesentlichen haben wir zwei Signale, zwei Wellenformen, die präzise akustische Nachbildungen des Originalklangs sind. Diese Schallwellen repräsentieren die während der Aufnahme erfassten Schalldruckschwankungen, die dann in elektrische Wellenformen umgewandelt und als digitale Aufnahmen gespeichert werden.

Nun haben wir zwei digitale Signale. Diese Signale unterscheiden sich voneinander und ändern sich kontinuierlich. Sie enthalten alle Informationen, die zur Wiedergabe der Breite, Tiefe und sogar Höhe der Darbietung und ihrer akustischen Umgebung erforderlich sind. Alle notwendigen Informationen sind in diesen beiden Signalen enthalten. Wenn wir diese Signale kurzzeitig anhalten, hätte jedes einzelne einen einzigen Wert, der die Spannung oder den Druck repräsentiert. Zu jedem Zeitpunkt haben wir nur zwei Zahlen.

Die Herausforderung besteht darin, diese Signale ohne Qualitätsverlust wiederzugeben. Während elektronische Geräte wie Verstärker das Signal nur minimal verändern, besteht das eigentliche Problem darin, wie diese Signale in typischen Räumen an die Ohren des Zuhörers übertragen werden können, ohne dass die Audioinformationen beeinträchtigt werden.

Standardisierte Kette

Um eine unveränderte Übertragung eines Signals vom Kontrollraum zum Wohnzimmer des Zuhörers zu gewährleisten, müssen alle verwendeten Geräte weltweit kompatibel sein. Programmsignalquellen und Elektronik werden nach internationalen Standards hergestellt, sodass HiFi-Enthusiasten Systeme aus verschiedenen Marken zusammenstellen können. Es ist sogar möglich, Röhren- und Transistorgeräte zu kombinieren. Die größten Unterschiede bestehen zwischen Leistungsverstärkern und Lautsprechern; einige Lautsprecher mit sehr niedriger Impedanz funktionieren möglicherweise nur mit bestimmten Verstärkern. In den meisten Fällen funktioniert jedoch alles gut zusammen.

Hörräume sind unterschiedliche akustische Lasten

Genauso wie ein Verstärker mit einem Lautsprecher zusammenwirkt, wirkt ein Hörraum als akustische Last auf den Lautsprecher. In Aufnahmestudios werden Monitorlautsprecher und Regieräume in der Regel gemeinsam entworfen, um eine optimale Klangqualität zu erzielen. In typischen Wohnzimmern ist dies jedoch nicht der Fall. Beim Hausbau gibt es keine Standards für die akustische Last, was zu erheblichen Unterschieden zwischen den Räumen führt. Infolgedessen sind die meisten Räume eher akustisch schlecht als gut für die Klangwiedergabe geeignet.

Angesichts der unvorhersehbaren Wechselwirkung zwischen Lautsprecher und Raum ist es schwierig, einen Lautsprecher zu finden, der in allen Räumen gut funktioniert. Allein die Basswiedergabe kann stark variieren: In einem Raum aus Stein oder Beton kann es zu einem übermäßigen Bass kommen, während in einem Holzhaus der Bass möglicherweise zu schwach ist.

Warum klingen Lautsprecher in verschiedenen Räumen unterschiedlich?

Dieses Problem wurde von verschiedenen Lautsprecherentwicklern und anderen Experten bis zu einem gewissen Grad untersucht.

Zum Beispiel das renommierte dänische Unternehmen Bruel & Kjaer, ein Hersteller von Audiomessgeräten (Møller, 1974).

Das B&K-Team testete fünf verschiedene Lautsprecher in drei verschiedenen Räumen, wobei die Klangqualität von fünf Zuhörern in einem Blindhörtest bewertet wurde. Die Ergebnisse waren überraschend: Es war unmöglich vorherzusagen, welcher Lautsprecher in einem bestimmten Raum die beste Leistung erbringen würde. Keiner der Lautsprecher klang in allen drei Räumen am besten. Das ist verständlich, da jeder Raum eine andere akustische Belastung für den Lautsprecher erzeugt. Eine Änderung der Belastung verändert die Ergebnisse, ähnlich wie Verstärker je nach Belastung unterschiedlich funktionieren.

Welchen Rat gab das B&K-Forschungsteam Kunden, die ein Lautsprechersystem kaufen wollten? Sie empfahlen, verschiedene Lautsprecher mit nach Hause zu nehmen und sie mit rosa Rauschen zu messen.* Wählen Sie schließlich das Paar aus, das an der Hörposition im Frequenzbereich von 60 Hz bis 6000 Hz die gleichmäßigste Wiedergabe bietet. In der Regel klingt dieser Lautsprecher auch am besten.

Vor der Gründung von Gradient Ltd. beschlossen Jorma Salmi und sein Kollege Anders Weckström, das Problem der Schnittstelle zwischen Raum und Lautsprecher zu untersuchen (Salmi und Weckström, 1982). Anstatt Lautsprecher in normalen Räumen zu testen und zu messen, nutzten sie eine schalltote Kammer. Ihre Ergebnisse finden Sie in „The Absolute Listening Test”.

*Diese Methode wird auch heute noch angewendet. John Atkinson von Stereophile verwendet beispielsweise ein computergestütztes System, das 60 Messungen für einen einzelnen Lautsprecher und insgesamt 120 Messungen für ein Stereopaar mittelt. Diese Art der Messung korreliert gut mit subjektiven Hörergebnissen. Wie in Stereophile (März 1997) zu sehen ist, lag die Raummessung des Gradient Revolution bei beeindruckenden 32 Hz – 10 kHz +/- 1,3 dB (siehe Abb. 5: Stereophile Review).

Der absolute Hörtest

Zunächst führten Salmi und Weckström einen Hörtest in einer großen schalltoten Kammer durch. Was ist eine schalltote Kammer? Einfach ausgedrückt ist es ein Raum ohne Reflexionen – ohne Nachhall, stehende Wellen, Flatterechos usw. Im Wesentlichen ist es ein Raum ohne jegliche Akustik.

Sie hörten sich verschiedene Lautsprecher an der Stelle an, an der die gemessenen Frequenzgänge so flach wie möglich waren (in der Regel auf der sogenannten Designachse). Als sie hochwertige Aufnahmen über hochwertige Lautsprecher hörten, waren sie überrascht, wie gut diese klangen. Hier sind ihre wichtigsten Erkenntnisse:

• Der Klang war sehr klar und rein.
• Die Klangbildwiedergabe war ausgezeichnet.
• Die Akustik des Aufnahmeortes wurde hervorragend wiedergegeben.
• Die räumlichen Informationen wurden viel besser wiedergegeben als in normalen Räumen.
• Die Klangqualität war viel besser als in normalen Räumen.

Nachdem sie die Lautsprecher in einer schalltoten Kammer angehört hatten, führten sie den sogenannten Absolute Listening Test (ALT) durch. Der Test wurde wie folgt durchgeführt:

• Der zu testende Lautsprecher wurde in einer schalltoten Kammer aufgestellt.
• Ein hochwertiges Messmikrofon (B&K 4133) wurde auf der Designachse des Lautsprechers platziert.
• Über den Lautsprecher wurde Musik von einer Quelle (Plattenspieler, Mikrofon oder Tonbandgerät) abgespielt.
• Die Überwachung erfolgte außerhalb der schalltoten Kammer.
• Durch Umschalten war es möglich, den Unterschied zwischen der Lautsprecher-/Mikrofon-Kombination und der Quelle (einem geraden Kabel) zu erkennen.
• Zur Überwachung wurden sowohl Kopfhörer als auch Lautsprecher verwendet.

Dieser Test führte zu folgenden überraschenden Ergebnissen:

• Wenn die Frequenzgangkurve des Testlautsprechers, gemessen mit dem Mikrofon, flach war, konnten die Zuhörer nicht zwischen direkten Geräuschen und denen unterscheiden, die vom Lautsprecher wiedergegeben wurden.
• Nichtlineare und Phasenverzerrungen, verzögerte Resonanzen und ähnliche Phänomene schienen die Klangqualität hochwertiger Lautsprecher nicht zu beeinträchtigen.
• Der wichtigste Faktor war ein flacher Frequenzgang.

Das Anhören hochwertiger Aufnahmen in einem schalltoten Raum klang ausgezeichnet. Der Unterschied zwischen direktem Schall und dem durch den Lautsprecher und das Mikrofon geleiteten Schall war minimal. An diesem Punkt beschlossen sie, zu untersuchen, was in einem normalen Raum passiert – oder wie Ihr Hörraum die Klangqualität beeinträchtigt.

Die Schnittstelle zwischen Raum und Lautsprecher: Wie beeinträchtigt Ihr Hörraum die Klangqualität?

Die grundlegende Frage lautete: Warum klingen Lautsprecher mit ähnlichen Frequenzgangkurven in normalen Räumen unterschiedlich?

In einem typischen halligen Raum wie einem Wohnzimmer werden nur 20 % der dominanten Schallenergie direkt an den Hörer übertragen, während 80 % aus Reflexionen vom Boden, den Wänden und der Decke bestehen.

Da eine schalltote Kammer keine akustischen Reflexionen aufweist, musste die Lösung in den reflektierten Klängen des Hörraums liegen. Dies stellte sich als richtig heraus. Das Kernproblem war, wie diese reflektierten Klänge den Frequenzgang verschlechtern. Die Erforschung des menschlichen Gehörs lieferte Erkenntnisse. Der Schlüssel lag in den ersten reflektierten Klängen, die das Ohr erreichen und eine etwas längere Strecke zurücklegen als direkte Klänge (3 bis 70 cm länger oder 0,1 bis 2,0 ms in der Zeit). Das menschliche Ohr und Gehirn nehmen diese frühen Reflexionen als mit den direkten Klängen zusammenhängend wahr, wodurch ein „Kammfiltereffekt” entsteht, bei dem die Frequenzgangkurve abwechselnd abfällt und ansteigt. Infolgedessen verschlechtert sich sogar die Wiedergabe eines guten Lautsprechers. Das Ausmaß dieser Verschlechterung hängt von der Richtwirkung des Lautsprechers und seiner Entfernung zu reflektierenden Oberflächen, insbesondere dem Boden, ab.

Welche subjektiven Auswirkungen haben frühe Reflexionen auf den Klang?

• Die Klangbildwiedergabe leidet.
• Es fehlt an räumlicher Information.
• Die Dreidimensionalität wird reduziert.
• Der Klang scheint eher aus den Lautsprechern zu kommen als „aus dem Nichts” (die Lautsprecher verschwinden nicht).

Der erste Gradient war geboren

Ein absoluter Hörtest verschaffte Jorma Salmi neue Erkenntnisse über das Lautsprecherdesign. Er war von den Ergebnissen so überzeugt, dass er beschloss, ein Unternehmen rund um seine Erfindungen zu gründen. Dies führte zur Gründung von Gradient und kurz darauf zum ersten Produkt, dem Gradient 1.0. (Lesen Sie hier mehr über die Funktionsweise des Gradient 1.0.)

Die wichtigsten Konstruktionsprinzipien waren die Minimierung früher Reflexionen, die Maximierung des Direktschalls an der Hörposition und die Erzielung gleichmäßiger Abstrahlcharakteristiken – eine Technik, die als Controlled Directivity bekannt ist.

Auf dem Weg zur Revolution

Die Forschung im Bereich der Controlled Directivity wurde fortgesetzt. Der nächste Schwerpunkt lag auf der Wiedergabe tiefer Frequenzen in einem Raum und den erheblichen Störungen, die durch sogenannte stehende Wellen verursacht werden. Stehende Wellen sind ein häufiges Problem, insbesondere in kleinen bis mittelgroßen Räumen. Räume mit großen parallelen Flächen erzeugen leicht starke stehende Wellen. Diese stehenden Wellen betonen bestimmte tiefe Frequenzen, wodurch diese den Klang dominieren. Der Bass beginnt zu dröhnen, und die tiefen Register der Instrumente werden verzerrt.

Basierend auf den Forschungen von Gradient war ein wirksames Mittel zur Minimierung dieses Phänomens die Verwendung eines sogenannten Dipol-Basses, der nur in eine Richtung abstrahlt, vorwärts und rückwärts in entgegengesetzten Phasen (Salmi und Weckström 1982; Salmi, 1992). Der erste Basslautsprecher, der das Dipolprinzip nutzte, kam 1991 auf den Markt: Der Gradient SW-63 wurde als Basssektion für den elektrostatischen Lautsprecher Quad ESL-63 entwickelt.

Bald darauf entstand der Gradient Revolution, bei dem die Dipol-Basssektion in drei verschiedene Richtungen ausgerichtet werden konnte. Bei der Installation wurde die Ausrichtung so gewählt, dass die Anregung von stehenden Wellen im Raum minimiert wurde.

Für den Mitteltonbereich des Lautsprechers wurde ein spezielles akustisch widerstandsfähiges Gehäuse entwickelt, das eine kardioide Richtcharakteristik nach vorne bot. Frühe Reflexionen von hinten und von den Seiten des Lautsprechers wurden praktisch eliminiert. Mehr über die Entwicklung des Gradient Revolution erfahren Sie hier.

In seiner 40-jährigen Geschichte wurden zahlreiche innovative Lautsprecherlösungen entwickelt, die oft von herkömmlichen Designs abweichen. Allen Produkten gemeinsam ist die Minimierung der nachteiligen Auswirkungen des Raumes. Der Lautsprecher und vor allem sein Verhalten im Raum haben den mit Abstand größten Einfluss auf die Audiowiedergabekette.

Referenzen

Møller, H, 1974: Relevante Lautsprechertests in Studios, in Vorführräumen von HiFi-Händlern, zu Hause usw. unter Verwendung von 1/3-Oktaven, rosa gewichteten Zufallsgeräuschen. AES Convention 47, Kopenhagen.

Salmi, J. und A. Weckström, 1982: Einfluss des Hörraums auf die Klangqualität von Lautsprechern und Möglichkeiten zu dessen Minimierung. AES Convention 71, Montreux.

Salmi, J. und A. Weckström, 1983: Eine neue, psychoakustisch korrektere Methode zur Messung des Frequenzgangs von Lautsprechern. AES Convention 73, Eindhoven.

Salmi, J, 1992: Platzierung von Dipolquellen in einem Raum. AES-Konferenz 92, Wien.

Bilder

Jorma Salmi und AAD-Prototyp, Die Redaktion von HIFI-lehti.

„A Gradient Bear”, Heli Ahonen

„Gradient Revolution”, Hannu Hyrske

Weitere Bilder, Gradient