Dipl.­Biol. Ernst­Georg Beck

Der K Koppler

Ein neuer akustischer Impedanzwandler

Ein Lautsprecher ist ein elektromechanischer Wandler der, wie der Name schon sagt, elektrische in akustische Signale transformiert. Im einfachsten Fall strahlt eine Membrane Schall direkt an die umgebende Luft ab (Direktstrahler). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die schallabstrahlende Membran durch ein Horn an die Luft anzukoppeln. Eine Sonderform davon stellt der hier beschriebene K­Koppler dar.

Auf der Suche nach einer optimalen akustischen Impedanztransformation beschritt seinerzeit der Amerikaner John E. Karlson einen neuen Weg. In drei Patenten 1951, 1954 und 1968, präsentierte er eine beachtenswerte Lösung, die die Vorteile der neueren akustischen Hörner, hoher Wirkungsgrad, große Bandbreite, und breite horizontale Abstrahlung mit anderen bei hoher Effizienz bisher nicht realisierbaren Eigenschaften vereint: den K­Koppler. Diese Konstruktion (bild 1) besteht aus einer Röhre, entlang deren Längsachse sich ein Schlitz exponentiell öffnet.

Die Grundidee ist folgende: Wenn eine Membran in eine Pfeife unendlicher Länge Schall abstrahlt, tritt ihr ein konstanter frequenzunabhängiger Strahlungswiderstand entgegen. Endliche Pfeifen bieten jedoch nur einen geringen nutzbaren Strahlungswiderstand [1]. Außerdem entstehen durch den abrupten Übergang an die umgebende Luft besonders im unteren Frequenzbereich Reflexionen, die zu einem sehr unruhigen Impedanz­ wie Frequenzverlauf führen. Solche Systeme erzeugen aufgrund der schwingenden Luftsäule Resonanzen. Schall wird praktisch nur bei einem Verhältnis von Länge der Röhre/ Wellenlänge von 1/4, 3/4, 5/4, 7/4 usw. abgestrahlt. Um mehr Resonanzen zu erzeugen, kann die Pfeife seitlich zusätzliche Öffnungen enthalten. Dies ist bei vielen Blasinstrumenten verwirklicht.

Karlson dachte diese Konstruktionsidee zu Ende, indem er unendlich viele sich vergrößernde Öffnungen in Längsrichtung anbrachte, wobei sich ein Schlitz ergab, der bei unendlich vielen Frequenzen Resonanzen erzeugte. Entlang einer solchen Öffnung ist ein gleichmäßiger Schallaustritt gewährleistet. Der Schlitz kann sich nach verschiedenen mathematischen Funktionen erweitern. Karlson befand eine exponentielle Erweiterung als die beste. Da sich das Ende der Pfeife an einer Stelle befindet, wo praktisch alle Schallenergie die Röhre verlassen hat, sind Reflexionen minimal. Dies führt zu einem außerordentlich glatten Strahlungsimpedanz ­bzw. Frequenzverlauf [2].

Durch Verwendung eines Horns (z. B. Exponentialhorn) erfolgt ebenfalls ein stetiger Übergang des hohen Strahlungswiderstandes am Horneingang in einen niedrigen Strahlungswiderstand am Hornausgang. Endliche Hörner haben jedoch einen abrupten Übergang Horn ­ Luft und erzeugen so am Hornmund, wie endliche Pfeifen, Reflexionen (Bild 1). Dies ist einer der entscheidenden Unterschiede zwischen Hornausführungen und dem K-Koppler.

Abbildung 1 Akustische Impedanz einer endlichen Pfeife (oben), eines endlichen Exponentialhorns (Mitte) und eines K-Kopplers (unten). ZA1=Eingangsimpedanz, ZA2= Aus-gangsimpedanz, rA1=Realteil von ZA1, XA1=Imaginärteil von ZA1

Frequenzgang und Wirkungsgrad

Der Frequenzgang des K­Kopplers wird u. a. durch die mathematische Funktion der Schlitzöffnung und die Länge der Röhre bestimmt. Die untere Grenzfrequenz entspricht der Wellenlänge, die viermal so groß ist wie die Länge des K­Kopplers, wobei die Dämpfung der Frequenzkurve bei ca. 12 dB/Oktave liegt. Eine obere Grenzfrequenz ergibt sich weder theoretisch noch praktisch. Die Mittelhochtonausführung des K­Kopplers "The Tube" erzeugt mit dem Druckkammersystem TAD 2001 einen glatten Frequenzverlauf bis über 20 000 Hz.

Da der Strahlungswiderstand oberhalb der unteren Grenzfrequenz dem einer unendlichen Pfeife bzw. einem Exponentialhorn bei hohen Frequenzen entspricht, gelten für den Wirkungsgrad des K­Kopplers Werte um ca. 50 %. Exponentialhörner z. B. können diesen Wert jedoch nur in einem schmalen Frequenzband erzeugen. Anders der K­Koppler, der von der unteren Grenzfrequenz bis über 22 000 Hz eine gleichbleibend hohe Effizienz besitzt.

Verzerrungen

Der K­Koppler hat im Gegensatz zu Hörnern keine enge Eintrittsöffnung. Deshalb können auch keine dadurch verursachten Verzerrungen auftreten, Messungen ergaben weder Hinweise auf Harmonische ­ noch Intermodulations­Verzerrungen [3]. Auch Hörversuche erlauben keine Rückschlüsse in dieser Hinsicht. Beim direkten Vergleich zwischen "The Tube" und verschiedenen Longthrow­, Radial­ und Diffraktionshörnern zeigte der KKoppler gutes Auflösungsvermögen, große Dynamik und Verfärbungsfreiheit.

Abstrahlverhalten

Aufgrund der Konstruktion des K-Kopplers wird Schall auf andere Weise als bei gängigen Systemen projiziert. Die Schallabstrahlung durch den Schlitz wird durch Reflexionen an den Innenwänden der Röhre bestimmt. Dadurch ist die horizontale Abstrahlung durch die Form der Querschnittsfläche bedingt. Eine Kombination flacher Wände produziert sogenannte "Lobes" [Polardiagramm der Multizellarhörner in [1]). Elliptische oder kreisförmige Querschnitte erzeugen eine nahezu halbkreisförmige frequenzunabhängige Projektion.
Gerade dies ist mit Hörnern nur näherungsweise zu erzielen. Beim "Tube" wurde ein horizontaler frequenzunabhängiger Abstrahlwinkel von ca. 120° gemessen. Dabei hat jede Frequenz ihre definierte Austrittsstelle entlang des Schlitzes. Vertikal strahlt das Rohr in einer nahezu flachen Ebene ab, die je nach verwendetem Druckkammersystem in einem Winkel von ca. 35° unterhalb der Längsachse der Röhre liegt und sich bei zunehmendem Abstand nicht vergrößert.Diese Projektionseigenschaften erlauben den K­Koppler im Mittelhochtonbereich als Shorthrow­Einheit einzusetzen. Andererseits lassen sich Frequenzmessungen wie sie z. B. bei Hörnern und Direktstrahlern durchgeführt werden, mit solchen von K­Kopplern nur bedingt vergleichen: Eine Schallpegelmessung in einem Meter Abstand liefert eine nichtlineare Charakteristik in Abhängigkeit vom Meßwinkel. Weiterhin von Betracht ist die Tatsache, daß im Gegensatz zu Hörnern der Schallpegel bei doppeltem Abstand nicht auf 1/4 abfällt, sondern sich halbiert [3].

Praktische Ausführung des K­Kopplers: Baßhybrid­Gehäuse

Die älteste Anwendung des K­Kopplerprinzips ist als Baßhybrid­Gehäuse realisiert (Abbildung 2). Diese Konstruktion stellt hauptsächlich eine Kombination von K­Koppler und Baßreflexsystem dar. Das relativ kleine Gehäuse erlaubt eine Abstrahlung von ca. 50...900 Hz bei hohem Wirkungsgrad. Jedoch zeigt die Frequenzkurve mindestens zwei konstruktionsbedingte Nullstellen. Weiterhin fällt der Schalldruck bei ca. 900 Hz um 6 dB ab.

Die Nullstellen resultieren aus der Verwendung paralleler Wände in der eine Röhre simulierenden Kammer 1. Kammer 2 ­ hinter dem Lautsprecher ist mit Kammer 1 durch die Öffnung X verbunden. Der Lautsprecher strahlt also rückwärtig durch ein System von zwei Kammern, was ebenfalls für Einbrüche im Frequenzgang sorgt. Aufgrund der vertikalen Länge von 80 cm wird durch den K­Koppler Schall bis ca. 130 Hz abgestrahlt. Unterhalb davon arbeiten die beiden Reflexöffnungen. Die direkte Abstrahlung des Lautsprecherchassis verstärkt den oberen Frequenzbereich. Der nichtlineare Frequenzgang ist weiterhin auf stehende Wellen im K­Koppler und die senkrechte Aufstellung zurückzuführen.

Abbildung 2: Baßhybridgehäuse als Kombination aus Baßreflexgehäuse und K-Koppler
Diese Box erfreut sich seit 1980/81 steigender Beliebtheit auf dem professionellen Beschallungssektor. Als Baßteil für kleine PA­Anlagen und Instrumententalbox hat sie trotz der erwähnten Charakteristiken durch ihre geringe Größe und relativ hohen Wirkungsgrad schon etliche Musiker überzeugt. Leider ist auf dem PA­Markt das "Leergehäusefieber" ausgebrochen, wobei dem Musiker die Wahl der Lautsprecherchassis überlassen wird. Dies, zusammen mit finanziellen Uberlegungen, führt meist zu Gehäusen, die nur einen Bruchteil dessen leisten, wozu sie bei richtiger Abstimmung in der Lage wären; so auch bei diesem K­Koppler.

 
Das "Tube"

Ein weiterer derzeit auf dem Markt befindlicher K­Koppler ist das Modell "The Tube" (Bild 3 und 4).
Diese Konstruktion stellt die Reinform des K­Kopplers für den Mittelhochtonbereich dar. Als Lautsprecher kommen nur Druckkammersysteme in Betracht. Aufgrund seiner Größe und seinem akustischen Verhalten ist dieses Modell eine echte Alternative für alle Shorthrow­Hörner.
Die besonderen Eigenschaften des Tubes können nur dann voll genutzt werden, wenn Treiber mit sorgfältig konstruierten Phasing­Plug verwendet werden. Mitteltontreiber, die einen Bereich von 500 bis maximal 6000 Hz abstrahlen, wie von EV, Fane, RCF, H+H und Beyma sind deshalb ungeeignet. Dagegen werden mit Breitband-Druckkammer-systemen von TAD, JBL, Altec, Emilar, Coral und Beyma gute Ergebnisse erzielt, da diese Systeme erst bei 17 000 bis 22 000 Hz ihre obere Grenzfrequenz erreichen.

bild 3 Mit einer Röhre, entlang deren Längsachse sich ein Schlitz exponentiell Öffnet, verband John E. Karlson mit seiner Erfindung die Vorteile akustischer Hörner mit großer Bandbreite und breiter horizontaler Abstrahlung. Hier sieht man das "Tube", eine Mittelhochtoneinheit.

 
Perspektiven

Die prinzipell neuen Eigenschaften des K­Kopplers bieten genügend Raum für weitere Entwicklungen. Besonders die Anwendung der Thiele/SmallTheorie verspricht eine Optimierung der bisherigen Systeme. Theoretisch läßt sich auch für den Tiefbaßbereich ein K­Kopper konstruieren. Dieser müßte jedoch für die Abstrahlung von 30 Hz ca. 3,5 Meter lang sein, was wohl bei kommerzieller Nutzung ein limitierender Faktor darstellt. Praktische Lösungen stellen deshalb ähnlich wie bei Baßhörnern gefaltete Systeme oder Kombinationen mit anderen akustischen Prinzipien dar. Entsprechende Experimente werden derzeit bei BEC-Audio durchgeführt. Es existieren Prototypen, die bei geringer Bauform eine tiefe Baßwiedergabe mit hohem Wirkungsgrad erzeugen.

Weiterhin sind Systeme für den Baß/ Mittenbereich zwischen 200 und 2000 Hz denkbar. Leider existiert gerade für diesen Frequenzbereich zur Zeit nur ein geeigneter Hochleistungslautsprecher (M4, Community, Light + Sound). Die Zukunft wird zeigen ob die vergleichsweise ungewöhnliche Bauform und Abstrahlung akzeptiert wird und wo das K­Kopplerprinzip in der Praxis Vorteile vor anderen Systemen hat.

bild 4. Komplette Mittelhochtoneinheit unter Verwendung des Tube von BEC-AudioLiteraturo
Literature

Literature

[1] Olson, H.F.: "Acoustical Engineering. Van Nostrand 1957.
[2] Poppe: "The K­Coupler, a new acoustical lmpedance transformer``, EEE Transactions on Audio and Electroacustics, Vol Au 14­No 4, 1966, seite 163.
[3] Zintz, W.: Engineering Letter No. s, TPC.
[4] Olson, H.F.: Music, Physics and Engineering, Dover Publications 1967.

Dieser Artikel wurde 1982 in der Fachzeitschrift Funkschau, Sonderheft Nr. 39 Musik und Elektronik veröffentlicht.