StudiomonitoreM-Serie von Audio-Optimum

Phasenparallele Vollaktiv Studiomonitore für die natürliche Musikwiedergabe

Gute Musikaufnahmen sind trotz vieler Verbesserungen in der Aufnahmetechnik noch immer seltene Ausnahmen. Hauptursache dafür sind Monitorlautsprecher, die den Klang verfärben, sodass der Toningenieur nicht hört, was er produziert.

In der Werbung wird vielfach behauptet, Monitore seien "verfärbungsfrei", und bei denen, die als "High-End" bezeichnet werden, sind viele geneigt, dies allein aufgrund des Preises anzunehmen. Wie weit das von der Wahrheit entfernt ist, wird im direkten Vergleich zur aktuellen Referenz, der Audio Optimum M-8, deutlich. Bei manchen Musikstücken glaubt man tatsächlich, zwei völlig unterschiedliche Produktionen zu hören!

Außer bei Billigmonitoren, mit denen ein professionelles Arbeiten ohnehin kaum möglich ist, entstehen die Klangverfärbungen nicht durch die verwendeten Einzellautsprecher, sondern durch eine fehlerhafte Ansteuerung. Bei korrekter Ansteuerung über eine Leistungselektronik nach dem neuesten Stand der Technik kann schon mit preisgünstigen Einzellautsprechern die Klangqualität konventioneller "High-End"-Monitore deutlich übertroffen werden!

Analytische und verfärbungsfreie Studio-Monitore, mit denen der Toningenieur unmittelbar hört, was er produziert, sollten in dieser Reihenfolge die folgenden Eigenschaften aufweisen:

1. phasenparallele Aktivweiche
2. verzerrungsfreie Leistungsverstärker
3. homogenes Abstrahlverhalten
4. ausreichende Tiefbasswiedergabe

Auch die besten Hochtöner und Tiefmitteltöner eines Mehrwegesystems können nur irgendeinen "Sound" von sich geben, wenn die Schallanteile der unterschiedlichen Membranen sich nicht korrekt – d. h. ohne gegenseitige Phasendifferenz – addieren. Schon beim "einfachen" Fall eines 2-Wege- Systems ist darum die Qualität der Frequenzweiche zuerst entscheidend für die resultierende Klangqualität – wobei eine verfärbungsfreie bzw. natürliche Wiedergabe von Musik und Sprache überhaupt nur mit aktiven Filterschaltungen möglich ist. Passive Frequenzweichen haben bestenfalls eine gewisse Berechtigung, wenn es weniger um die exakte, als vielmehr um eine verschönernde Musikwiedergabe geht, wie dies im Heim-Hifi- Bereich gewünscht und noch immer üblich ist. Mit passiven Frequenzweichen sind Phasendifferenzen im Übernahmebereich kaum unter ±30° zu halten, während schon Phasendifferenzen von ±10° hörbare Klangverfärbungen und Verzerrungen in der räumlichen Wiedergabe bewirken. Diese sind allein am Summenfrequenzgang kaum zu erkennen, denn eine Phasendifferenz von 30° bewirkt lediglich eine Pegelsenke von -0,5 dB, die in den Schalldruckschwankungen der Lautsprecher untergeht. Daraus ergibt sich die Kuriosität, dass mancher Breitbandlautsprecher natürlicher klingt als konventionelle Mehrwegesysteme, selbst wenn deren Frequenzgang insgesamt ausgeglichener ist und auch die Einzellautsprecher in ihren jeweiligen Frequenzbereichen präziser reproduzieren als der Breitbänder. Erst wenn die komplexe Addition der Schallanteile im ganzen Übernahmebereich – der sich auch mit einer Frequenzweiche 4. Ordnung über fast vier Oktaven erstreckt und in dem das Ohr besonders empfindlich ist – ohne Phasendifferenz gelingt, klingt das Mehrwegesystem vollkommen natürlich und ist dann jedem klassischen Breitbandsystem klanglich überlegen.

Lautsprecher erzeugen nichtlineare Verzerrungen (THD), die nur selten unter 0,5% bleiben. Demnach sollte es keine Rolle spielen, ob der Leistungsverstärker 0,05% oder 0,005% hinzufügt. Dennoch klingt jeder Verstärker anders und auch die aufwändigsten und teuersten Leistungsverstärker waren bisher nicht frei von hörbaren Verzerrungen. Das liegt daran, dass ein elektronischer Verstärker ein System mit Gegenkopplung ist, welche erst im Nachhinein und immer mit einer gewissen Verzögerung die Ausgangsspannung proportional zur Eingangsspannung regelt. Dabei entstehen transiente Intermodulationsverzerrungen (TIM), die von der üblichen Klirrfaktormessung nicht erfasst werden, die aber bei der Wiedergabe von Musik deutlich zu hören sind. Gerade solche Verstärker, die bei statischen Sinussignalen einen besonders niedrigen Klirrfaktor aufweisen, können bei impulsförmigen Eingangssignalen (Musiksignal) besonders viele TIM-Verzerrungen erzeugen, die alle musikalischen Details bis zur Unkenntlichkeit verwischen.

Für eine homogene Schallabstrahlung mit nur einer Hauptabstrahlkeule muss die zur Übernahmefrequenz äquivalente Schallwellenlänge mindestens 1,5-mal so groß sein wie der Abstand der Membranzentren. Zwischen einem Mitteltöner oder Tiefmitteltöner im 4/5/6/8Zoll-Format und einem Hochtöner mit 10cm-Frontplatte darf die Übernahmefrequenz darum nicht höher liegen als 1,9/1,7/1,5/1,3 kHz. Bisher war das kaum zu erfüllen, weil die akustische Übertragungsfunktion des Hochtöners im Bereich seiner Eigenresonanz eine Phasendrehung von 180° durchläuft und somit der Hochtöner unangenehm aus dem Klangbild hervorsticht, wenn die Übernahmefrequenz nicht weit genug über dessen Eigenresonanzfrequenz liegt. Bei konventionellen Mehrwegesystemen ohne phasenparallele Aktivweiche wird daher eine inhomogene Schallabstrahlung mit drei oder sogar fünf Abstrahlkeulen meist als das geringere Übel in Kauf genommen.

Eine gleichzeitig tiefreichende, präzise und dynamische (laute) Basswiedergabe ist in der Regel nur mit großvolumigen Lautsprecherboxen möglich, die aber in den meisten Tonstudios aus Platzgründen kaum Anwendung finden. Kompakte und hoch abgestimmte Bassreflexboxen, die allein über zuwenig Tiefgang verfügen, als Satelliten in Verbindung mit einem separaten Subwoofer zu betreiben, ist wiederum problematisch, weil es an der phasenparallelen Abstimmung zwischen dem Subwoofer und den Satelliten mangelt.

Audio Optimum M-8

Entwicklungsziel war ein Aktivlautsprecher, der vor allem in Bezug auf die Natürlichkeit der Musikwiedergabe neue Maßstäbe setzt, der sowohl als Referenz-Studiomonitor wie auch als High-End- Lautsprecher im Wohnzimmer hervorragend geeignet ist, und der trotz kompakter Abmessungen eine hohe Abhörlautstärke bei gleichzeitig tiefreichender und präziser Basswiedergabe erlaubt. Das sind Anforderungen, die sich klassischerweise widersprechen. Um dennoch keine Kompromisse eingehen zu müssen, wurden die für diese Anwendung absolut besten Lautsprecherchassis ausgewählt, es kommt eine neuartige, international patentierte Leistungsverstärker-Technologie zum Einsatz und eine exakt phasenparallele Aktivweiche macht das Mehrwegesystem akustisch zu einem "idealen Breitbandsystem". Darüber hinaus wurde ein besonderes Verfahren der Tiefbasserzeugung entwickelt, das in keinem Lehrbuch zu finden ist.

Das Konzept

Der Baugröße nach ist die M-8 ein typischer 2-Wege- Monitor mit 8Zoll-Tiefmitteltöner. Untypisch ist eine besonders tiefe Übernahmefrequenz der 30mm-Hochtonkalotte, die in Verbindung mit der phasenparallelen Ankopplung an den Tiefmitteltöner ein homogenes Abstrahlverhalten mit breitem Abstrahlwinkel über den ganzen Audio-Frequenzbereich garantiert. Im Tonstudio kann die M-8 daher auch in horizontaler Lage betrieben werden, ohne Einschränkung der räumlichen Wiedergabe. Anstatt eines Bassreflextunnels, der in diesem Fall zu lang wäre, um in das Gehäuse zu passen, ist seitlich (in horizontaler Lage oben) eine 10Zoll-Passivmembran angebracht. Da ein Lautsprecher im Tiefbassbereich immer kugelförmig abstrahlt, spielt es keine Rolle, in welche Richtung die Passivmembran zeigt. Zudem bietet die Passivmembran den Vorteil, dass sie über eine viel größere Fläche abstrahlt als ein enger Bassreflextunnel. Nach außen hin entstehen keine Windgeräusche, die Schallschnelle im Inneren ist deutlich verringert und es kann das ganze Innenvolumen mit Dämmstoff gefüllt werden, ohne dass dem Helmholtz-Resonator dadurch Energie entzogen wird. Der volle Wirkungsgrad des Bassreflexsystems bleibt somit erhalten und gleichzeitig werden Gehäuseresonanzen im Mitteltonbereich wirkungsvoll bedämpft. Der Tiefmitteltöner wird von der Leistungselektronik so angesteuert, dass zusammen mit der größeren Passivmembran ein "aktiv gefiltertes Bassreflexsystem 6. Ordnung" entsteht, das effektivste Verfahren zur Tiefbasserzeugung.

Analoge phasenparallele Aktivweiche

Die Addition der Schallanteile, die von den unterschiedlichen Membranen eines 2-Wege-Systems abgestrahlt werden, ist eine komplexe Addition in Amplitude und Phase. Erst mit aktiven Filterschaltungen stehen überhaupt die Einstellparameter zur Verfügung, damit die komplexe Addition ohne hörbare Phasenfehler gelingt.
    Dazu werden zuerst die akustischen Übertragungsfunktionen beider Lautsprecherchassis mit Shelving-Tiefpässen und einer aktiven Gyrator-Bandsperre linearisiert. Eine Linkwitz-Transformation verschiebt die Resonanzfrequenz des Hochtöners auf die gewählte Übernahmefrequenz und dessen Gesamtgütefaktor Q t auf den Wert 0,71 (Butterworth-Charakteristik). Mit einem zweiten Butterworth-Hochpass 2. Ordnung entsteht insgesamt ein Linkwitz-Riley- Hochpass 4. Ordnung (abgekürzt: LR4) im Hochtonzweig und ein LR4-Tiefpass im Tiefmitteltonzweig hat dazu den spiegelbildlichen Amplitudenfrequenzgang sowie einen identischen Phasenfrequenzgang. Die vollständige Phasenparallelität erfordert noch zwei Allpässe 2. Ordnung im Hochtonzweig. Der erste Allpass bildet den Phasenfrequenzgang des Tiefmitteltöners in Kombination mit der elektronischen Basskorrektur nach und der zweite Allpass mit Bessel-Charakteristik (Q=0,58) bewirkt eine frequenzproportionale Phasenverschiebung (entsprechend einer frequenzunabhängigen Signalverzögerung) für ±2 Oktaven um die Übernahmefrequenz herum, um das akustische Zentrum des Hochtöners mit dem des Tiefmitteltöners zur Deckung zu bringen.
    Die phasenparallele Aktivweiche kann entweder mit analogen Operationsverstärkern oder mit digitalen Soundprozessoren realisiert werden. Für die M-8 wurde die aufwändigere analoge Variante gewählt, deren Klangqualität mit Digitalschaltungen noch nicht erreicht wird. Der Vorteil einer Digitalweiche besteht lediglich darin, dass die Programmierung eine reine Software-Angelegenheit und somit billig ist, während eine analoge LR4-Aktivweiche mit Linkwitz-Transformation und Allpass-Matrix eine Hardware-Programmierung mit einer Vielzahl steckbarer Metallfilmwiderstände und Folienkondensatoren erfordert. Die Folienkondensatoren müssen zudem von Hand selektiert werden, um die für Linkwitz-Transformationen erforderlichen engen Toleranzen einzuhalten.
    Der Aufwand lohnt sich, wie jeder bestätigen kann, der die M-8 schon gehört oder im Tonstudio damit gearbeitet hat: Die gesamte Aufnahmekette kann unmittelbar durchgehört und alle Einstellungen digitaler Effektgeräte können sofort in ihrer wirklichen Klangqualität beurteilt werden. Kein Monitor, der selbst "digital" klingt, kann das leisten.

Sinus-Cosinus- Modulator

Schon ein Kleinleistungs-Operationsverstärker, der nur einige Milliampere Ausgangsstrom liefern muss, ist alles andere als trivial. Es wurden umfangreiche Hörtests durchgeführt, bis die Wahl auf den Doppel-OP MC33078 in der Aktivweiche fiel, der sich durch besonders niedrige Übernahmeverzerrungen und eine hohe Klangreinheit auszeichnet. Viele andere und meist teurere Operationsverstärker mit ausgezeichneten Messwerten konnten den Hörtest nicht bestehen. Der für das Ohr "lupenreine" Leistungsverstärker, der eine höhere Ausgangsspannung und etwa den 1000-fachen Ausgangsstrom liefern muss, um die Schwingspule eines Lautsprechers anzutreiben, wurde in mehrjähriger Forschungsarbeit selbst entwickelt: der Sinus-Cosinus- Modulator (US-Pat. 9,287,826), der einen wesentlichen Anteil an der außergewöhnlichen Klangqualität der M-8 hat.
    Für die Klasse der Pulsbreitenmodulationsverstärker (PWM) wird oft die Bezeichnung "Digitalverstärker" verwendet, weil die Leistungshalbleiter mit hoher Geschwindigkeit schalten. Sie arbeiten aber nicht digital, denn die Pulsbreite wird analog geregelt. Gegenüber klassischen analogen Leistungsverstärkern (Class A oder AB) haben PWM-Verstärker (Class D) nicht nur den Vorteil, dass die Leistungsschaltstufe so gut wie keine Wärmeverluste erzeugt, sondern bei richtiger Dimensionierung mit modernsten Halbleitern auch keine nennenswerten nichtlinearen Verzerrungen – und das schon ohne Gegenkopplung! Dies gilt allerdings nur, wenn der die Pulsbreite steuernde Dreieckgenerator ein perfektes Signal abgibt und die Betriebsspannung absolut stabil bleibt. Beide Bedingungen sind in der Praxis kaum zu erfüllen. Darum wird an Stelle des separaten Dreieckgenerators (getakteter PWM-Verstärker) ein Integrator eingesetzt und der Ausgang der Leistungsschaltstufe auf dessen Eingang gegengekoppelt. Damit entsteht ein selbstschwingender PWM-Verstärker (Hysteresewandler, SODFA), der alle Ungenauigkeiten des steuernden Dreiecksignals selbsttätig ausregelt und der auch an einer unstabilisierten Betriebsspannung linear arbeitet. Eine Variante ist der UcD-Verstärker, der den LC-Ausgangsfilter als Integrator benutzt und über dessen Restripplespannung gesteuert wird. Nachteilig ist jedoch, dass sowohl beim Hysteresewandler als auch beim UcD die Schwingfrequenz vom Modulationsgrad abhängt, was ansteigende nichtlineare Verzerrungen bei höherer Aussteuerung bewirkt. Erst beim selbstschwingenden Sinus-Cosinus- Modulator, der von zwei Dreiecksignalen gesteuert wird, die um 90° zueinander phasenverschoben sind, bleibt die Schwingfrequenz unabhängig von der Aussteuerung konstant.
    Ein SINCOS ® -Verstärker erzeugt weder nennenswerte Wärmeverluste noch hörbare statische oder dynamische Verzerrungen, wird in seiner Funktionsweise von der angeschlossenen Last – egal wie komplex – in keiner Weise beeinflusst, klingt bis zur Aussteuerungsgrenze vollkommen "unangestrengt" und kann somit für Audio-Anwendungen als der "ideale Leistungsverstärker" angesehen werden.

Aktiv gefiltertes Bassreflexsystem mit Linkwitz-Transformation

Bei einem Netto-Gehäusevolumen von nur 24,5 Liter wären ein Basstreiber mit schwerer Membran und überdimensionalem Magnetantrieb sowie eine Verstärkerleistung im Kilowatt-Bereich für die gewünschte Bassdynamik erforderlich. Ein solcher Basstreiber wäre aber nicht mehr im Mitteltonbereich zu gebrauchen, sondern nur als Subwoofer. In der M-8 wird daher erstmals eine Linkwitz-Transformation in Verbindung mit einem aktiv gefilterten Bassreflexsystem 6. Ordnung eingesetzt, um eine präzise und für diese Baugröße unvergleichlich dynamische und tiefreichende Basswiedergabe zu erzielen. Die bisher nur für geschlossene Aktivsysteme verwendete Linkwitz-Transformationsschaltung verschiebt auf elektronischem Wege die Resonanzfrequenz und den Gütefaktor des Tiefmitteltöners, sodass mit einer relativ leichten, glasfaserverstärkten Papiermembran und "nur" 200 Watt Verstärkerleistung sowohl eine detaillierte und natürliche Mitteltonwiedergabe als auch eine untere Grenzfrequenz des gefilterten Bassreflexsystems von 28 Hz (-3dB) erreicht wird. Die für die tiefsten Frequenzen zuständige Passivmembran hat eine effektive Abstrahlfläche von 352 cm 2 und kann bis zu ±28 mm ausgelenkt werden. Damit lässt sich erahnen, in welcher Größe die Kompaktbox akustisch erscheint. Ein separater Subwoofer ist nicht erforderlich.

M-6 und M-10

Ist der Platz im Tonstudio oder im Wohnzimmer begrenzt, geht es noch eine Stufe kleiner. Mit 6,5Zoll-Tiefmitteltöner, einer 8Zoll-Passivmembran und nur 14,5 Liter Nettovolumen bietet das vollaktive 2-Wege-System M-6 eine ebenso herausragende Klangqualität wie das universelle System M-8. Physikalisch bedingt ist nur die Maximallautstärke etwas geringer und die untere Grenzfrequenz des aktiv gefilterten Bassreflexsystems liegt mit 33 Hz (-3dB) nicht ganz so tief. Dennoch ist die ultrakompakte M-6 selbst großen konventionellen Standlautsprecherboxen in der Tiefbasswiedergabe ebenbürtig und ein separater Subwoofer ist wie bei der M-8 nicht erforderlich.
    Wird umgekehrt eine höhere Abhörlautstärke in mittleren bis großen Räumen gewünscht, ist das vollaktive 3-Wege-System M-10 die richtige Wahl. Mit einem 10Zoll-Langhubtieftöner, einer 12Zoll-Passivmembran und 42 Liter Nettovolumen ist die Baugröße noch immer moderat und in der Tiefbasswiedergabe mit einer unteren Grenzfrequenz von 24 Hz (-3dB) sowie in der Maximallautstärke bleiben kaum noch Wünsche offen. Bei einem Abstand der Membranzentren von weniger als 11 cm und einer Übernahmefrequenz von 1,6 kHz (äquivalente Schallwellenlänge: 21 cm) verhalten sich der 4Zoll-Mitteltöner und die Hochtonkalotte mit Neodym-Magnet in Verbindung mit der phasenparallelen Aktivweiche wie eine Punktstrahlquelle, sodass auch das 3-Wege- System ohne Einschränkung der räumlichen Wiedergabe sowohl in vertikaler (Mittelhochtoneinheit oben und Hochtöner innen) als auch in horizontaler Lage (Mittelhochtoneinheit innen und Hochtöner oben) betrieben werden kann.

Gerne können Sie die neuen Referenz-Monitore in Ihrem eigenen Tonstudio unverbindlich testen. Aufgrund der Verfärbungsfreiheit und einer bisher unerreichten Detailauflösung benötigen Sie keine Eingewöhnungszeit, Sie können sofort auf höchstem Niveau arbeiten und sparen in Zukunft jede Menge Zeit. Musikaufnahmen, die auf einem der Referenz-Monitore M-6, M-8 oder M-10 gut klingen, klingen überall gut. Das können wir garantieren.

Bitte vereinbaren Sie dazu einen Termin mit unserem Außendienst.

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