Wie funktioniert eigentlich QSC Directivity Matched Transition?


Die Einführung der QSC Directivity Matched Transition® (DMT™) Technologie war ein Meilenstein in der Audiobranche und hat die Qualität der Audiowiedergabe im Live-Bereich revolutioniert. Um zu verstehen, warum DMT ein so fundamentaler Bestandteil von QSC Lautsprechern ist, kommen hier erst einmal einige physikalische Grundlagen der Akustik.

Schallausbreitung

Schallwellen breiten sich je nach Frequenz unterschiedlich im Raum aus. Das Abstrahlverhalten einer Klangquelle fällt, wie unten zu sehen ist, bei tiefen Frequenzen omnidirektional, bei hohen Frequenzen hingegen extrem gerichtet aus. Bei den dazwischen liegenden Frequenzen liegt ein gradueller Übergang von omnidirektionaler zu gerichteter Abstrahlung vor. Dies ist ein wichtiger Faktor, den wir beim Lautsprecherdesign beachten müssen.

Abbildung 1: Die Schallausbreitung ist frequenzabhängig.

Das Abstrahlverhalten von Tieftönern

Bei einem klassischen 2-Wege-Lautsprecher wird das Audiospektrum von einem Tieftöner und einem Hochtöner wiedergegeben. Tieftöner weisen von der tiefsten Frequenz, die sie wiedergeben können, bis ungefähr 400 Hz ein vollständig omnidirektionales Abstrahlverhalten auf. Über 400 Hz wird das Abstrahlverhalten mit steigender Frequenz zunehmend gerichteter (die Abstrahlung wird konisch und der Abstrahlwinkel immer schmaler). An der Trennfrequenz, ab der der Hochtöner die Wiedergabe übernimmt (meist zwischen 1 und 2,5 kHz), ist der Abstrahlwinkel des Tieftöners sehr schmal. Das konkrete Abstrahlverhalten hängt dabei von der Größe des Tieftöner-Konus ab. Wenn die Wellenlänge des Schalls den Konusdurchmesser des Tieftöners unterschreitet, wird die Abstrahlung stark gerichtet. Ein kleinerer Konus (Durchmesser unter 34 cm) ist daher bei einer typischen Trennfrequenz von 1 kHz (= Wellenlänge 34 cm) weniger gerichtet als ein größerer (Durchmesser 34 cm oder mehr).

Bei vielen Lautsprecherdesigns wird dieses akustische Phänomen ignoriert, und die Hersteller geben in den technischen Daten nur das Abstrahlverhalten des Hochtöners an. Dies ist allerdings irreführend, da einige der Mittenfrequenzen, die das menschliche Ohr besonders gut wahrnimmt, unterhalb der Trennfrequenz liegen. Ein fließender und kontrollierter Übergang zwischen Tief- und Hochtöner ist daher sehr wichtig. In der Praxis lassen sich mit einem kontrollierten Abstrahlverhalten ein linearer Frequenzgang und eine natürliche Wiedergabe erzielen, da hier die Abstrahlung zusätzlich durch den Raum beeinflusst wird.

Um einen 2-Wege-Lautsprecher mit präziser Klangwiedergabe zu entwickeln, muss zunächst das Abstrahlverhalten des Tieftöners analysiert werden. Dabei muss das Abstrahlverhalten für alle Tieftöner-Größen und -Modelle separat untersucht werden (Beispiele hierfür sehen Sie in Abbildung 3, 5 und 6).

Das Abstrahlverhalten konventioneller Hochtöner

Lautsprecher-Designer haben lange Zeit rechteckige Hörner verwendet, um den Hörbereich effizient mit hohen Frequenzen abzudecken. Solche Hörner bieten zwar ein ausreichend lineares Abstrahlverhalten in höheren Frequenzbereichen (ab etwa 4 bis 8 kHz aufwärts), da in diesem Fall sowohl die Höhe als auch die Breite des Horns größer als die vom Hochtöner reproduzierten Wellenlängen sind. Allerdings entstehen bei Mittenfrequenzen (zwischen 1 und 3 kHz) Probleme, weil hier die Abmessungen des Horns – insbesondere seine Höhe – kleiner sind als die Wellenlänge.

Ist das Horn nicht besonders hoch, werden tiefe Frequenzen in der Vertikalen früher abfallen als in der Horizontalen, was zu einer inkonsistenten Off-axis-Wiedergabe – auch als Off-Axis-Klangfärbung bekannt – führt.

Abbildung 2: Abstrahlverhalten eines Lautsprechers mit einem 12 Zoll Tieftöner und einem 90° x 50° HF-Horn mit inkonsistenter Richtcharakteristik oberhalb von 1 kHz (Trennfrequenz).

Deshalb führt auch eine Kombination aus einem typischen Horn (90° x 50°) mit einem 8 oder einem 12 Zoll Tieftöner trotz gleichbleibender Trennfrequenz zu komplett unterschiedlichen Resultaten. Kleinere Tieftöner weisen im Bereich der Trennfrequenz eine breitere Abdeckung (90° bis 105°) auf, während der Abstrahlwinkel größerer Tieftöner schmaler ist (60° bis 75°). Die Abdeckung zwischen Tieftöner und Horn stimmt dabei weder auf der vertikalen noch auf der horizontalen Ebene überein.

Wenn zusätzlich nur die Breite des Horns und somit die horizontale Richtcharakteristik mit dem Abstrahlverhalten des Tieftöners übereinstimmt, jedoch nicht die Höhe des Horns, wird der vertikale Off-axis-Frequenzgang besonders beeinträchtigt, wodurch sich das Ansprechverhalten(1) des Lautsprechers verschlechtert. Abbildung 3 zeigt einen konventionellen Lautsprecher mit einem 12 Zoll Tieftöner und einem 90° x 50° Horn. Das Abstrahlverhalten des Tieftöners ist bis 1 Hz dem Abstrahlverhalten eines idealen Kolbenstrahlers angenähert. Die horizontale Abstrahlung ist zwar auch im weiteren Verlauf relativ konsistent (wenn auch mit einigen Schwankungen zwischen 1 und 3 kHz), die vertikale Abstrahlung fällt jedoch oberhalb von 4 kHz extrem ab.

Abbildung 3: Abstrahlwinkel eines konventionellen Lautsprechers (12 Zoll Tieftöner mit 90° x 50° Horn) über der Frequenz. Die grüne Linie stellt das natürliche Abstrahlverhalten des Tieftöners dar.

Auf Basis der hier dargestellten Erkenntnisse über die physikalischen Eigenschaften von Schallwandlern hat QSC eigene Designs entwickelt, bei denen die optimale Trennfrequenz abhängig vom HF-Treiber ausgewählt wird. Zudem werden Form und Abstrahlverhalten des Horns perfekt auf das Abstrahlverhalten des Tieftöners im Bereich der Trennfrequenz abgestimmt.

Wie funktioniert DMT?

Mit der DMT Technologie von QSC wird die Form des Horns (der sogenannte Waveguide) optimal auf den Abstrahlwinkel des Tieftöners im Bereich der Trennfrequenz abgestimmt, wodurch die Klangwiedergabe maßgeblich verbessert wird.

Genauer gesagt: Bei DMT Hörnern wird immer die Höhe und die Breite des Waveguides auf das Abstrahlverhalten des Tieftöners im Bereich der Trennfrequenz abgestimmt, was zu einem besonders linearen Off-axis-Frequenzgang und einem optimierten Ansprechverhalten führt. Dadurch ist in den meisten Fällen keine weitere Anpassung des Lautsprechers erforderlich, wenn dieser in einem Raum positioniert wird.

Abbildung 4: Abstrahlverhalten eines QSC Lautsprechers mit einem 12 Zoll Tieftöner und einem 75° x 75° DMT HF-Horn und konsistenter Richtcharakteristik oberhalb von 1 kHz (Trennfrequenz).

Ein weiterer interessanter Aspekt ist, dass kleinere Tieftöner meist einen niedrigeren Kennschalldruckpegel(2) aufweisen und die dazugehörigen DMT Hörner die Schallenergie über einen breiteren Bereich verteilen. Dadurch ist der On-axis-Kennschalldruckpegel des Horns ebenfalls niedriger und stimmt mit dem des Tieftöners überein. Größere Tieftöner haben einen höheren Kennschalldruckpegel, aber die entsprechend angepassten, enger abstrahlenden DMT Hörner liefern auch einen um diese Größenordnung höheren On-axis-Schalldruckpegel. Somit verbessert die DMT Technologie die Klangqualität in jedem Fall, sowohl on- als auch off-axis, ohne dass die allgemeine Effizienz und der Kennschalldruckpegel der Lautsprecher beeinflusst wird.

Abbildung 5 zeigt das Abstrahlverhalten eines QSC-Lautsprechers mit einem 10 Zoll Tieftöner und einem 90° x 90° DMT HF-Horn. Die orangefarbene Linie repräsentiert den angestrebten Abstrahlwinkel, der bis 1,5 kHz durch das natürliche Abstrahlverhalten des 10 Zoll Tieftöners erzielt wird. Ab dieser Frequenz muss der HF-Treiber die Wiedergabe übernehmen, da der Tieftöner die benötigten Wellenlängen nicht mehr reproduzieren kann. Bei 1,5 kHz beträgt der Abstrahlwinkel 90 Grad, was der angestrebte Wert für dieses Horn-Design ist.

Das gemessene horizontale und vertikale Abstrahlverhalten zeigt, wie präzise die Lautsprecher der angestrebten Abdeckung entsprechen.

Abbildung 5: Abstrahlwinkel eines QSC Lautsprechers (10 Zoll Tieftöner mit 90° x 90° DMT-HF-Horn) über der Frequenz. Die orangefarbene Linie repräsentiert die angestrebte Abdeckung, die bis zur Trennfrequenz von 1,5 kHz durch das natürliche Abstrahlverhalten des 10 Zoll Tieftöners erzielt wird. Bei 1,5 kHz ist die angestrebte Abstrahlcharakteristik von 90° erreicht.

In Abbildung 6 stellt die schwarze Linie das Abstrahlverhalten eines konventionellen 15 Zoll 2-Wege-Lautsprechers mit einem rechteckigen 100° x 60° Horn dar. Im Bereich unterhalb der Trennfrequenz (2,2 kHz) verengt sich der Abstrahlwinkel auf 50° (was 25° auf den beiden Seiten des On-axis-Frequenzgangs entspricht), oberhalb der Trennfrequenz erweitert er sich auf 100°.

Abbildung 6: Abstrahlwinkel mehrerer Lautsprecher über der Frequenz (QSC K8.2 mit 8 Zoll Tieftöner, K10.2 mit 10 Zoll Tieftöner und K12.2 mit 12 Zoll Tieftöner). Die schwarze Linie zeigt das Abstrahlverhalten eines konventionellen 15 Zoll 2-Wege-Lautsprechers mit einem rechteckigen 100° x 60° Horn

Betrachten wir noch einmal ein konventionelles Lautsprecherdesign und überlegen, welche Folgen dieses für das Publikum hat, speziell für Zuhörer im Off-axis-Bereich. Zuhörer, die nur 30 Grad off-axis sitzen, werden deutlich weniger Mitten wahrnehmen als On-axis-Zuhörer. Ein Verlust an Mittenfrequenzen ist meistens gleichbedeutend mit schlechterer Sprachverständlichkeit. Wenn du schon einmal eine Rede oder Ankündigung über Lautsprecher mit hohem Pegel gehört hast und diese dennoch nicht verstehen konntest, lag das vermutlich daran, dass off-axis einige Mittenfrequenzen verloren gegangen sind. Natürlich können Tontechniker das System mit Equalizern anpassen, um den Mittenverlust im Off-axis-Bereich zu kompensieren. Dann hören allerdings auch die On-axis-Zuhörer deutlich mehr Mitten, was wiederum echt unangenehm sein kann. Eine inkonsistente Wiedergabe im On- und Off-axis-Bereich ist also immer mit Kompromissen verbunden. Dieses Problem kann nur durch das Lautsprecherdesign gelöst werden.

Bei den Lautsprechern der QSC K.2 Serie sind - wie bei vielen QSC Modellen - Tieftöner und Horn perfekt aufeinander abgestimmt. Beim K8.2 beträgt der Abstrahlwinkel des 8 Zoll Tieftöners an der Trennfrequenz 105 Grad – und das Horndesign wurde exakt auf diesen Abstrahlwinkel abgestimmt. Auch bei den K10.2 und K12.2 Lautsprechern ist das Horn optimal an das natürliche Abstrahlverhalten des Tieftöners angepasst. Dadurch ist die Mittenwiedergabe absolut transparent und konsistent, und sowohl On- als auch Off-axis-Zuhörer erleben einen ausgewogenen Sound.

Fazit

Bei allen Tieftönern ist der Abstrahlwinkel in tieferen Frequenzbereichen breiter als bei höheren Frequenzen. In vielen Lautsprecherdesigns wird dieses akustische Phänomen allerdings ignoriert und davon ausgegangen, dass nur die Abdeckung der HF-Hörner zählt. In Wirklichkeit ist jedoch ein fließender, gerichteter Übergang vom Tieftöner zum Horn ausschlaggebend, um eine konsistente Abdeckung für alle Frequenzbereiche zu erzielen. QSC hat daher die Directivity Matched Transition® (DMT™) Technologie eingeführt, bei der der Abstrahlwinkel des HF-Horns auf den Abstrahlwinkel des Tieftöners an der Trennfrequenz abgestimmt wird. Sowohl On- als auch Off-axis-Zuhörer können dank dieses Prinzips bessere Klangqualität genießen. Also: Viel Spaß beim Hören mit QSC Lautsprechern!

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Hinweise:

(1) Das Ansprechverhalten eines Lautsprechers ist die Summe der gesamten akustischen Ausgabe des Lautsprechers, die in mehreren Intervallen in einem kreisförmigen Bereich um den Lautsprecher herum gemessen wird – on-axis und off-axis (Der off-axis-Bereich ist der weiter entfernte Bereich mit stärkerem Halleinfluss).

(2) Der Kennschalldruckpegel (Empfindlichkeit) eines Treibers ist das Verhältnis zwischen der eingehenden Leistung und dem ausgegebenen Schalldruckpegel (SPL). Beispiel: 87 dB (1 Watt/1 Meter)

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