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Audioanlage nach dem Horn-Prinzip

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Konzept
Seit langer Zeit hegte ich den Wunsch, eine Verstärkeranlage zu bauen, die mit geringer elektrischer Leistung auskommt. Durch das Studium elektroakustischer Bücher wurde mir bald klar, dass damit nur Lautsprechersysteme nach dem sogenannten Hornprinzip in Frage kamen.
Zudem sollten die Lautsprecher einerseits gut tönen aber auch ästhetisch überzeugen.
Lange habe ich mich mit dem Problem der Wiedergabe der tiefsten Frequenzen beschäftigt, denn ein Horn für die Übertragung eines 25Hz-Tones ist mehrere Meter lang und lässt sich einfach nicht in einer Wohnstube unterbringen. Erst die Idee, das Horn - einer Schnecke ähnlich - "aufzuwickeln", brachte den Durchbruch. Das Basshorn, hier kurz Schnecke genannt, wird als Subwoofer mit der Übertragung der tiefsten Frequenzen beider Kanäle betraut.
Konventionelle Verstärkeranlagen glänzen durch hohe Leistungsangaben. Die von einem Verstärker abgebbare Leistung wird aber nur in ganz kurzen Zeitintervallen wirklich benötigt. Hörner geben solche Dynamikspitzen auch ohne grosse elektrische Leistung mühelos wieder.
Uebliche industriell gefertigte Verstärker werden für eine Vielzahl verschiedener Boxentypen konzipiert, was den Aufwand erhöht. Besser ist es, den Verstärker an die Lautsprecher anzupassen, ein Vorgehen, das auch hier auf die Breitbandchassis der Hörner und den Tieftöner in der Schnecke angewendet wird. Für die Anlage entwickelte ich einen Verstärker mit drei Endstufen. Die Aufteilung des ganzen Hörbereichs von 20Hz bis 20000kHz erfolgt mit Aktivfilter, womit passive Weichen in den Lautsprechern entfallen.
Beim ersten Hörversuch war ich von der Räumlichkeit der Klangwiedergabe überrascht. Auch das Impulsverhalten der Schnecke war sehr überzeugend. Das bewog mich - aller wirtschaftlicher Gründe zum Trotz - dazu, eine Stereoanlage vom Eingang bis zum Lautsprecher selber zu entwickeln. Also:
" Berechnung der Horn- und Schneckenform nach akustischen Gesichtspunkten mit einem eigenen Computerprogramm
" Konzipieren und Testen von elektronischen Schaltungen für einen Verstärker nach meinen Vorstellungen
" Herstellen von Platinen und deren Bestückung
" Bau der Hörner, der Schnecke samt Befestigungsmaterial und des Verstärkergehäuses
" Bau von Prototypen, Weiterentwicklungen

Dadurch, dass alles selber konstruiert und angefertigt wird, kann ich auf Wünsche sehr gut eingehen.
So entsteht jedesmal eine neue "Creation". Eine Anlage ist immer eine Einzelanfertigung, auch wenn gewisse Randbedingungen aus prinzipiellen Gründen beibehalten werden müssen (Akustische Bedingungen, elektronische Schaltungen, mechanische Stabilität, Sicherheitsmassnahmen). Natürlich dauert es seine Zeit, bis eine solche individuelle Anlage fertiggestellt ist...

Verstärker 3E-TS

Die Anlage beruht auf folgendem Prinzip:
Das Stereosignal aus Phono, CD, Tuner, Tape oder Auxilliary wird abgenommen, vorverstärkt und auf drei Endstufen aufgeteilt. Eine Endstufe verstärkt die tiefen Frequenzen bis 180Hz beider Kanäle für die Schnecke, die anderen versorgen die Hörner mit jeweils einem Stereokanal.
Die drei Lautsprecher können an alle Verstärker angeschlossen werden, die mindestens über zwei Stereoausgänge und einen Subwooferausgang verfügen.

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Hörner
Das Hornprinzip ist seit langem bekannt: Schon die alten Grammophon-Plattenspieler nutzten diesen akustischen Verstärker, um kleinste Membranschwingungen hörbar zu machen. Mit einem Computerprogramm werden die einzelnen Trichtersegmente berechnet und dann verleimt. Durch die exakt exponentiell anwachsende Trichteröffnung wird auf akustischem Weg eine Anpassung der Membran-Bewegung an die Luft ermöglicht, ohne dass nennenswerte Verzerrungen auftreten.

Simton, 10 Ecken

In "Simton" ist die klassische Trichterform realisiert. Die Hornlänge beträgt ca. 0.6m und der grösste Radius etwa 50cm. Ein solches Horn passt nur in relativ grosse Räume. Wird das Horn "gefaltet", bleibt der äussere Radius etwa gleichgross, aber die Horntiefe wird halbiert. Das Horn wird zu einem sogenannten "back-loaded" Horn: hohe Frequenzren werden direkt von der Membrane in den Hörraum abgestrahlt, die mittleren und tieferen Frequenzen aber von der Membranrückseite nach hinten. Auf dieser Ueberlegung beruht das Lotus-Horn:

Lotus

Lotus

 

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Schnecken

Fulminant

Ein Horn mit tiefer unterer Grenzfrequenz beansprucht eine Länge von mehreren Metern. Um ein solches Horn in der Stube betreiben zu können, bekommt das Horn die Form einer Schnecke. Die Schnecke "Fulminant" hat eine lichte Höhe von 1.5 Meter. Sie ist dafür sehr schlank.

Für kleine Räume habe ich die Idee weiterentwickelt zur "Helix": ein in sich verschlungene Schnecke nützt das Volumen besser aus. Die für die exponentielle Zunahme der Trichteröffnung benötigten Holzschnitte werden bei allen Schneckenformen mit einem Computerprogramm ausgerechnet. Die Schnecke ist für die Uebertragung der tiefen Frequenzen ausgelegt. (+patentiert+)

Helix

Die Schnecke ist eine eigentliche funktionale Skulptur. Aus ihrer Formgebung kann man unmittelbar auf die akustische Verstärkung schliessen. Das gilt auch für die Trichterlautsprecher, da sie genau demselben Prinzip gehorchen. Die drei Lautsprecher bilden daher eine ästhetische und funktionale Einheit.

Helix (im Rohbau)

Je nach Interieur des Wohnraums lassen sich Farbe und die Grösse anpassen. Damit wird die eigene Stereoanlage zu einem Kunstobjekt, das man nicht verstecken muss! So kann die Schnecke z.B. mit Oeffnung nach oben in eine Ecke gestellt werden, oder liegend neben das Cheminee. Die Hörner können an der Wand montiert werden, an der Decke oder auf einem Ständer.
Besonderheiten:
- optimales Impulsverhalten
- kleine elektrische Verstärkerleistung
- keine Intermodulationsverzerrungen (d.h. Lautsprechermembran bewegt sich auch bei tiefen Frequenzen praktisch nicht)

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Klang
Im Wohnzimmer soll eine Musikanlage vor allem eines: gute Wiedergabe von Audioquellen ermöglichen.
Da es prinzipiell nicht möglich ist, ein akustische Signal eins zu eins zu übertragen, bildet jede Box und jedes noch so teure Lautsprechersystem den Klang nur zum Teil richtig ab. Ein Lautsprecher gibt dem Klang also sein eigenes Gepräge, zudem wird auch die Wirkung auf das Ohr individuell verschieden empfunden. Das gilt auch für Hornlautsprecher. Dass Hörner nicht näseln müssen wie ein Bahnhoflautsprecher, lässt sich bei richtiger Formgebung vermeiden. Man muss nur bereit sein, ein gewisses äusseres Volumen und damit auffälliges Erscheinungsbild in Kauf zu nehmen. Theoretisch gilt: ein unendlich langes (!) Horn mit exponentiell anwachsender Trichterfläche ist der perfekte Uebertrager von einem Lautsprecherchassis an die Luft. Durch die endliche Länge erkauft man sich im wesentlichen Resonanzen, die den Klang verfälschen. (Davon lebt jede Trompete!). Durch geeignete Wahl der Dimensionen und des Materials kann man diese unerwünschten Resonanzen klein halten. Die Hörner geben dem Sound damit ihre eigenen Farbe, wie jede andere Stereobox auch.

Die Hörner erzeugen einen auffallend dreidimensionalen Klang-Effekt und füllen den Raum auf ungeahnte Weise. Interessanterweise hat man das Gefühl, der Klang habe sich von den Systemen entfernt und befinde sich im Raum. Schliesst man die Augen, kann man - gute CD vorausgesetzt - Solostimmen vorne und Begleitung hinten hören. Allen, die bisher meine Anlage gehört hatten, haben diese Räumlichkeit festgestellt und waren überrascht vom Klangbild und der Präsenz. Hört man beispielsweise ein Jazzquartett, kann man jedes einzelne Instrument, vom Hi-Hat bis zum Kontrabass mühelos unterscheiden und deren individuellen Klang hören. Auch laut Musik zu hören ist ein Genuss, denn die Lautsprecher werden selbst bei Maximallautstärke mittelmässig belastet, klirren also weniger. Der Tieftöner erzeugt guten Bass, trotzdem sich seine Membran fast nicht bewegt. Das liegt am Hornprinzip, denn das Chassis muss im Trichtermund nur Druck erzeugen. Damit sind die mechanischen Schwingungen im System klein und auch die Abstrahlung von Bässen in die Nachbarswohnung ist kleiner.

Selbst bei grosser akustischer Leistung tönen Hornlautsprecher nie überlastet. Sie eignen sich daher besonders für Live-Musik-Aufnahmen und überall dort, wo laute und leise Stellen als solche gehört werden sollen (z.B. Orchestermusik). Hornsysteme gelten bezüglich der Dynamik als unübertroffen.

Die beiden Hornlautsprecher werden im Wohnraum mit Vorteil auf Kofphöhe oder etwas höher aufgestellt, damit der Raumklang möglichst homogen wird. Als Faustregel gilt: Sieht man in beide Trichter hinein, sitzt man optimal. Die Schnecke hingegen kann ohne Klangeinbusse dort aufgestellt werden, wo sie am besten in den Raum passt.

Wer schon mal eine Liveaufnahme mit Hörner gehört hat, wird die Dynamik und die unmittelbare Nähe zum "Geschehen auf der Bühne" nicht mehr vergessen. Die Hörner sorgen für gute Uebertragung von Stimmen, Blasinstrumenten, Perkussion und die Schnecke übernimmt Bässe und Schlagzeug, vorallem sind die "Kicks" gut zu hören. Die Grössse der Schnecke stimmt beim "Fulminant" etwa mit einem Kontrabass überein, es überrascht daher nicht, wenn dieses Instrument besonders schön und authentisch herüberkommt.

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Verstärker
Prinzip

Das Stereosignal aus Phono, CD, Tuner, Tape oder Line wird via Chinchbuchsen abgenommen und via Klangregelstufe, Tube-Clipper und Filter den den Leistungsendstufen bzw dem Kopfhörerverstärker zugeführt.

Die drei Leistungsendstufen betreiben die Hörner und die Schnecke folgendermassen:
linkes Horn : linker Kanal 200Hz bis 22kHz
rechtes Horn : rechter Kanal 200Hz bis 22kHz
Schnecke: beide Kanäle 25Hz bis 200 Hz

Optionen:
Mit Relaiskontakten kann wahlweise ein Klangregler (Höhen- und Tiefen - Anhebung) und/oder der Tube-Clipper ins NF-Signal eingeschlauft werden. Dies entspricht eine in guten Verstärkern üblichen Direct-Schaltung.
Im Verstärker kann der Röhren-Kopfhörerverstärker anstelle des Tube-Clippers eingebaut werden.

Verstärker 3E-TS

Aufbau
Die Endstufen bestehen aus integrierten Verstärkermodulen mit SOA (Safe Operating Area), Kurzschlusssicherung und Lautsprecher-Schutzschaltung.
Das Netzteil verfügt über drei voneinander unabhängigen Spannungsquellen für die Speisung der signalführenden NF-Stufen, der Röhrenheizspannung und Relaisteuerung sowie der Endstufen. Für Kopfhörerbetrieb ist ein separater Verstärker vorhanden, dessen Pegel für verschiedene Typen eingestellt werden kann.

Innenleben des 3E-TS

Gestaltungsmöglichkeiten
Der Verstärker ist in ein 42cm breites, 12cm hohes und 30cm tiefes Gehäuse aus Holz eingebaut. Die Frontplatte besteht aus eloxiertem Aluminium mit eigens entwickelten Bedienungssymbolen. Gehäusefarbe und Frontplattenfarbe können aus einem Sortiment ausgewählt werden; für den Finish sind andere Materialien denkbar. Es lassen sich aber auch andere Gehäuseformen realisieren!

Tube-Clipper
Häufiger als man meint, werden CD-Aufnahmen unsorgfältig abgemischt. Es gibt ab und zu Stellen, wo das Signal die der grösst möglichen Digitalzahl entsprechende Spannung überschreitet. Die Folge ist ein abruptes, eckiges Abschneiden, was sich als unangenehme Verzerrung äussert. Der Tube-Clipper nützt die Eigenschaft einer Elektronenröhre aus, wonach Uebersteuerungen in der Röhre abgerundet werden. Das Signal wird dann zwar immer noch falsch wiedergegeben, allerdings treten bei den abrupten Abschneidungen fast nur noch harmonische Verzerrungen auf. Schlecht aufgenommene CDs oder Uebersteuerungen auf Tonbändern oder vom Tuner tönen auf diese Weise angenehmer.
Die Schaltung konnte ich in der Zeitschrift "elektor" publizieren.

Mit dem Tube-Clipper lässt sich auch der typische "Röhrensound" simulieren.

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Technische Daten
Die untenstehenden Daten beziehen sich auf ein Beispiel einer Gesamtanlage, bestehend aus zwei Hörnern, einer Schnecke und einem Verstärker. Je nach Wunsch können andere Spezifikationen, technische Details und Materialien realisiert werden.

Horn
Länge 60cm, grösster Durchmesser 30cm, 8 Ecken, Sperrholz
Breitbandchassis

Schnecke
Aussenmasse 100cm, Sperrholz
Tieftöner

Verstärker
Leistung 3x50W
Bedienungselemente: Input-Selector, Höhen- und Tiefenregler,
Kopfhörerlautstärke, Schneckenlautstärke, Lautstärke, Balance
EIN-AUS, Mute
Kopfhörerbuchse
Empfindlichkeit (CD,...) 1V
Empfindlichkeit (Phono) 3mV
Impedanz 47kOhm, Chinch, vergoldet, Erdklemme
Lautsprecheranschluss: vergoldete Klemmen
Abmessungen 42x12x30cm

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