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Hi-Fi-Anlage: Konzertsaal im Wohnzimmer

Flächenlautsprecher und Batterien kleiner Lautsprecherboxen erzeugen den perfekten Raumklang. Ein zentrales Element solcher Hi-Fi-Technik: digitale Signalprozessoren.


Noch vor wenigen Jahren dominierten möbelartige Lautsprecher das Wohnzimmer, wenn brillanter Klang gewünscht war. Doch den empfing der Hörer nur bei optimaler Platzierung zwischen den Boxen. Künftig sollen die hinter Schrankwänden und Deckenverkleidungen verschwinden und dabei fast im ganzen Zimmer einen räumlichen Klangeindruck vermitteln. Selbst klingende Werbe- und Projektionsflächen sind möglich. Stimme und Musik scheinen direkt dort zu entstehen, wo Sprecher oder Sänger zu sehen sind.

Siemens-Ingenieur Robert Bösnecker hat das System SieSonic entwickelt, eine Technik, mit der sich sogar Aluminium oder Plexiglas in flächige Lautsprecher verwandeln lassen. Dazu werden auf der Rückseite einer bis zu sieben Quadratmeter großen Fläche Breitbandvibratoren von der Größe kleiner Eishockey-Pucks aufgebracht. Wie ein ins Wasser geworfener Stein erzeugen solche elektromagnetischen Schwingspulen Biegewellen. Diese setzen sich über die Fläche fort und lassen die ganze Wand ertönen. Jeder Vibrator kann einen anderen Frequenzbereich bedienen.

Das Prinzip ist nicht neu. Bereits 1927 wurde ein Flächenlautsprecher im Hof des Deutschen Museums in München installiert – der so genannte Blatthaller. Das Ergebnis war passabel: Laut und vernehmlich hallten Musik und Worte den Besuchern entgegen. Erst mithilfe der Digitaltechnik lässt sich aber Hi-Fi realisieren. Das Problem: Die Wellen werden an den Rändern des Flächenlautsprechers reflektiert und über­lagern sich den nachfolgenden; störende Interferenzen sind die Folge. Besonders unangenehm ist die "Resonanz", bei der sich die Wellen gegenseitig verstärken.

Die Experten um Bösnecker eliminieren die störenden Frequenzen mit "Digi­talen Signalprozessoren" (DSPs) – diese berechnen, wie die Schwingspulen angesteuert werden müssen. Da Resonanzfrequenzen von Material und Form des Flächenlautsprechers abhängen, vermessen die Wissenschaftler zunächst einen Prototyp im Labor. Mit Mikrofonen und Frequenzanalysatoren wird überprüft, bei welchen Frequenzen Resonanzen, Auslöschungen oder störende Überlagerungen auftreten. Mit diesen Messwerten werden die DSPs gefüttert. Frequenzen, die zu Resonanzen führen, können dann von vornherein gedämpft, andere verstärkt werden.

Gerade die aktive Veränderung des Klangbildes macht die Flächenlautsprecher besonders interessant. Zum Beispiel installierte Siemens vor kurzem ein Set von Flächenlautsprechern in der Wand- und Deckenverkleidung eines Konferenzraums im Münchner Flughafen. Der Klang des Systems lässt sich per Tastendruck auf verschiedene Standardsituationen einstellen. Zum Beispiel liegt bei einer Rede besondere Aufmerksamkeit auf dem mittleren Frequenzbereich zwischen zwei und vier Kilohertz, bei einer Präsentation im Kinostil sind hingegen tiefe Töne und Rundumklang wichtig.

Aus der Mitte des Raumes entspringt eine Quelle

Bösnecker kooperiert mit dem Möbel-Hersteller Brinkmann, der die Technik in Wohnzimmereinrichtungen einbaut. "Selbst Holz eignet sich als Flächenlautsprecher", erklärt der Forscher, "aber das ist gar nicht so verwunderlich, wenn man bedenkt, dass Geigen ebenfalls daraus gemacht sind." Der Werkstoff muss nur leicht sein, damit ihn die Spulen zum Schwingen anregen können. Zudem soll er aber auch steif sein, sonst können sich auf seiner Oberfläche keine kurzen Wellen fortsetzen. Eine Gummimatte etwa würde hohe Frequenzen einfach schlucken.

Qualität und Leistungsfähigkeit der Schwingspulen beeinflussen ebenfalls den Klang. Zu den Marktführern auf diesem Gebiet gehört das Kieler Unternehmen ELAC. ELAC hat eine Anrege-Einheit, einen so genannten Exciter, gebaut, der kompakt und doch schwer ist, über eine Schwingspule mit einem Durchmesser von 37 Millimetern verfügt und Leistungen von zwanzig bis dreißig Watt aufnehmen kann. Das reicht aus, um auch schwere Werkstoffe wie Plexiglas zum Beben zu bringen. Mit Excitern und einem speziellen Membranmaterial, das zugleich leicht und stabil ist, stellt das Kieler Unternehmen Flächenlautsprecher her, die sich flach wie Bilder an die Wand hängen lassen und mit verschiedenen Motiven bedruckt sind.

Obwohl die schwingenden Wände inzwischen Hi-Fi-Klang erreicht haben, sind immer noch Probleme zu lösen. So erklingen Flächenlautsprecher zwar bei Frequenzen zwischen 100 und 20000 Hertz. Sehr tiefe Töne müssen aber über Subwoofer wiedergegeben werden. "Zudem erzeugen die Geräte aufgrund der einheitlichen Fläche noch ein etwas diffuses Klangbild", räumt Bösnecker ein, "gerade Solo-Instrumente wie etwa Trompeten werden noch nicht absolut brillant wiedergegeben." Forscher der Fraunhofer-Arbeitsgruppe für elektronische Medientechnologie (AEMT) in Ilmenau wollen dieses Problem mit einem gänzlich anderen Verfahren lösen: der Wellenfeldsynthese.

Dazu statten die Wissenschaftler Räume mit einer Vielzahl kleiner konventioneller Lautsprecher aus. Einer Hightech-Bordüre gleich werden bis zu 72 nebenei­nander an den Wänden befestigt. Anders als ein einzelner Punktlautsprecher, der den Schall in einer Art Kugelwelle abgibt, erzeugen die vielen Einzellautsprecher zusammen ein breites Klangfeld, das den Raum gleichmäßig erfüllt.

Ein solches Wellenfeld vermag jedes beliebige Schallereignis nachzuahmen, die Lautsprecher müssen lediglich rechnergestützt aufeinander abgestimmt werden. Ein Beispiel: Von einer Punktquelle gehen – wie bei einem Steinwurf ins Wasser – kreisförmig Wellen aus. Auf eine Reihe von Lautsprechern übertragen bedeutet das, der mittlere Lautsprecher erklingt zuerst und am lautesten, die Lautsprecher zum Rande hin ertönen zeitverzögert und zunehmend leiser. So entsteht beim Zuhörer im Raum der Eindruck, von einer einzelnen Quelle beschallt zu werden. Dank des Computers lassen sich die Einzellautsprecher sogar so aufeinander abstimmen, dass in der Mitte des Raumes eine virtuelle Quelle entsteht – der Hörer kann so beispielsweise um einen Saxofonisten fast ganz herumgehen, der in Wirklichkeit von der CD kommt.

Zwar erzeugen moderne Dolby-Surround-Anlagen bereits einen erstaunlich echten Klang – allerdings nur dann, wenn man sich im optimalen Punkt des besten Hörens aufhält, dem Sweet Spot, vergleichbar der optimalen Stereo-Position. Dort ist aber in der Regel nur für wenige Hörer Platz – selbst im Großkino. Mit der Wellenfeldsynthese lässt sich dieser Punkt vergrößern.

Um Klänge zu speichern, verwenden die Fraunhofer-Forscher unter anderem den neuen MPEG-4-Standard. Anders als beim bekannten MP3-Format werden Musikdateien damit nicht nur komprimiert. Zusätzlich wird die räumliche Position eines jeden Tonsignals übertragen – etwa die Anordnung der Streicher im Orchester. Der Computer kann den Wellenfeld-Lautsprechern dann verschiedene Tonsignale zuordnen, um beispielsweise Instrumente zu gruppieren. Der Zuhörer im Raum gewinnt so den Eindruck eines wirklich dreidimensionalen Klanges, unabhängig davon, wo er gerade steht.

Noch gibt es keine kommerziellen Klangfeld-Produkte. In nächster Zeit sollen aber erste Anlagen im Profi-Bereich eingesetzt werden. In Großkinos könnte damit der Ort des idealen Hörens vergrößert werden. Das Zusammenwirken von Wellenfeldsynthese und MPEG-4 ist allerdings äußerst komplex. Bis erste Systeme für Privatkunden auf den Markt kommen, wird es wohl noch einige Jahre dauern.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 2003, Seite 88
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
3 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 3 / 2003

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