Audiophile Optimierungen der E9x Soundsysteme

An dieser Stelle möchte ich einen möglichen Weg dokumentieren, die bestehenden Soundsysteme der E9x grundlegend und nachvollziehbar aufzuwerten.

Ziel ist ein...

• tonal ausgeglichenes, d.h. ungesoundet und weitestgehend neutral abgestimmtes,
• pegelfestes,
• mit möglichst originalgetreuer Stereoprojektion,
• unter Beibehaltung der orig. Einbauplätze, vollreversibel und nahtlos in die Bordelektronik integriertes

... System, bzw Upgradepfad zu evaluieren. Qualitatives Vorbild ist sicherlich das Individual-Soundpaket.

Wie bei meinen Home-HiFi Projekte, werde ich weniger subjektive Höreindrücke oder Meinungen berücksichtigen, sondern systematisch für die gegebenen Rahmenbedingungen nach elektroakustischen Gesichtspunkten einen möglichen Lösungsweg aufzeigen. Das wird einigen hier etwas dogmatisch vorkommen, aber meiner Erfahrung aus den letzten 20 Jahren Selbstbau zeigt, das man auf diesem Wege zu gut vorhersehbaren und zufriedenstellenden Ergebnissen kommt, wenn man Ursache und Wirkung versteht.

Zum Start beginne ich mit einem Überblick aus geeigneten Komponenten, die sich aufteilen in:

• komplett fertige Pakete/fertige Sets
• einzelne Komponenten und eigene Abstimmung (Weichenschaltung)
• oder Mischformen davon

Aufgrund der obigen Zieldefinition fallen viele der hier schon oft diskutierten Lösungen meiner Meinung nach weg. Als Grundlage der Evaluierung der Komponenten sehe ich folgende Aspekte:

• Frequenzgang/ Pegel über Frequenz = tonale Balance, die sich in Grenzen nachträglich anpassen lässt (EQ, DSP)
• Rundstrahlverhalten / Frequenzgang unter Winkeln, insbesondere bei Hochtönern = Energieabgabe in den Raum
• Ausschwingverhalten (Wasserfall) = resonanzfreie Reproduktion des Eingangssignals
• Klirr / Verzerrungen = Reaktion der Treiber auf Pegelveränderungen
• Wirkungsgrad = Bedarf an Verstärkerleistung

Es gäbe noch mehr Aspekte wie Intermodulationsverzerrungen, Impulsantwort, Phase/Laufzeiten und spezielle Klippelanalysen oder gar Laserinterferometrie, aber mit oben genanntem bekommt man schon einen ganz guten Eindruck über das Rohmaterial und was man mit ihm erreichen kann. Vieles von dem was man als "luftig", "nasal" oder "verschleiert" wahrnimmt lässt sich in den Messwerten schon vorher erkennen.


Hier eine Vorauswahl (wird laufend ergänzt) von untersuchenswerten Komponenten:


Fertige Sets:

• ETON B100 N/T/W (Plug'n Play)
• Focal K2Power 100KRS (mit Adapter passend)

Eigene Komponentenzusammenstellung:

Hochtöner:

• Wavecor TW022WA01

• SEAS H1396-04 oder H1397-04

• Tymphany/Peerless OX20SC00-04

Tief-/Mitteltöner:

• ETON B100 Mitteltöner
• Focal 4 K Slim
• Scan Speak 10F/4424G00 Breitbänder

Als ein Vertreter der Fertigset schauen wir uns das Focal K2 100 KRS an. Nach der aktuellen Modellpolitik von Focal ist es nach als Mitglied der "Elite" Reihe in der Rangfolge direkt nach den "Utopia" Systemen. Es ist ein fahrzeugunabhängiges 2-Wege 10cm System, d.h. nicht speziell für BMW konzepiert, daher passen die Körbe nur mit Adapter in die Einbauplätze (beispielhafter Einbau, siehe hier).

Das K2 100 KRS ist das Nachfolgesystem des K2 100 KP. Die Tiefmitteltöner scheinen identisch geblieben zu sein, jedoch wurde der bekannte TN-52 Hochtöner (Titanoxidmembran und Schaumstoffsicke) durch eine einfachere Variante names TNK (Kevlergewebemembran, Kevlergewebesicke). Auch scheint die Frequenzweiche einfacherer Machart zu sein, insbesondere die Qualitätstufe der verwendeten Bauteile (KP: körperlose Luftspulen, Folienkondensatoren, induktionsarme Metalloxyd-Widerstände). Das ist echter ein Rückschritt, da man scheinbar modellpolitisch einen Leistungs- und Preisabstand zur Utopia-Reihe einhalten wollte. Der UvP ist daher von 380 € (2003) auf 320 € (2014) gesunken, Inflationsbereinigt wäre der Preisnachlass noch deutlicher.

Die Daten laut Hersteller:

Nennimpedanz: 4 Ohm
Einbautiefe ab Wand: 39 mm
Maximale Leistung: 100 W
Nennleistung: 50 W
Sensitivität (2.83V/lm): 90 dB
Frequenzantwort (+/-3dB): 120 Hz - 20k Hz
Magnet: Neodymium
Schwingspule: 25mm (1")
Hochtonkalotte: inverse Kalotte, Typ TNK
Woofer: 100mm (4"), K2 composite sandwich cone
Durchmesser der Aussparung: 93mm (3.7")
Frequenzweiche: Hochtöner level (0/-6dB per step of 3dB) - Mittelton (mid flat/mid high)
Produktart: 2-Wege kit
Durchmesser: 4'' 10cm


Die Frequenzweiche trennt bei 3,5 KHz auf beiden Flanken mit 12 db/ Oktave, also mäßig steil. Die Trennfrequenz ist deswegen recht hoch, weil der Focal-Hochtöner kein Koppelvolumen und damit eine recht hohe Resonanzfreuquenz (Fs) von 1,4 KHz hat (siehe Datenblatt). Dafür lässt sich aber der Pegel des Hochtöners auf -3 oder -6 dB absenken und auch der Hochpass für den Tiefmitteltöner an- und ausschalten. Das gibt einem etwas Flexibilität bezüglich verschiedenen Einbausituationen oder geschmacklichen Abstimmungen.

Wie hier schon erwähnt neigen die Focaletten aufgrund ihres recht ausgeprägten Rundstrahlverhalten infolge der inversen Kalottengeometrie und der verwendeten Hartmembranen zu einem etwas spitzen und vorlautem Klang. Das betrifft vor allem den Vorgänger Hochtöner TN-52, da dieser aus härterem Titan gefertigt ist. Focals Ruf der besonders "hochauflösenden" Hochtöner wurde maßgeblich durch diese Titanvarianten begründet. Wilson Audio verbaut diese Membran- und Sickenkombination von Focal (wohl aber mit anderem Motor/Magneten) bis heute in Lautsprecher der >50 TEUR Klasse! Aber wie gesagt, der TN-52 wurde durch den deutlich preiswerten TNK abgelöst, der statt der Titanoxid-membran ein Gewebe aus gelben Kevler besitzt und keine dedizierte Schaumstoffsicke, sondern aus einem Stück nahtlos gefertigt ist. Das ist sicherlich nicht ideal, aber preiswerter zu fertigen. Das Kevlergewebe ist in Harz getränkt und somit verstärkt, besitzt aber natürlich nicht die Härte von Titan, dafür aber eine höhere innere Dämpfung zur Unterdrückung störender Resonanzen. Im Datenblatt sehen wir die besagte Resonanzfrequenz von etwas über 1,4 KHz und einen Wirkungsgrad von 93 dB (2,83 V / 1 m) bei 8 Ohm, was sehr viel ist. Der Frequenzgang (in der Normschallwand) ist relativ glatt (+/- 2 db) und vor allem auch unter 30grad Winkel bis 6 KHz komplett Deckungsgleich und spreizt sich bis zur oberen Grenzfrequenz nie mehr als 5 dB.

Die folgende Messung entstammt der car&hifi und bezieht sich auf das Set Focal KRX2+TNK... also gleicher Hochtöner und 16cm Tieftöner. Hier der Frequenzgang des Hochtöners (Focal TNK):
[Blockierte Grafik: http://img.hifitest.de/car_hifi_lautsprecher_16cm_focal_car_krx2_tnk_bild_1328105569.jpg]

Die Messung deckt sich gut mit dem Datenblatt, bis auf zwei Dinge: 1. bei den 6 Khz wo die Bündelung im Datenblatt eintritt, gibt es hier bei der Messung eine kräftige Überhöhung auf Achse die bis 10 Khz um 5 db ansteigt. Hier wäre zu klären wie die Einbausituation bei der Messung war (flache Schallwand oder tatsächlich im Auto?). Angewinkelt (lila = 45 Grad, rot = 30 Grad) ist der Kurvenverlauf deutlich ausgeglichener. Bedeutet: Entweder man richtet den Hochtöner nicht direkt auf den Zuhörer aus und/oder nimmt den Pegel um min. 3, ggfs. auch 6 dB zurück. Der Nachteil bei letzterem ist nur, dass wenn dies über die mitgelieferte Frequenzweiche geschieht, der Bereich unterhalb von 6 dB ebenfalls reduziert wird (wahrscheinlich, ich kenne die Schaltung nicht im Detail). Falls dem so ist, wäre gezieltes EQing im Bereich von 6-15 KHz hier sinnvoller. Die zweite Sache die auffällig ist, zumindest für einen Hochtöner dieser Größe, ist der frühe Pegelabfall auf Achse, d.h. die obere Grenzfrequenz ist nur ca 15 Khz. Das kann mit Resonanzen zusammenhängen, in der Impendanzkurve darunter (blau) sieht man in diesem Bereich eine ganz leichte Unruhe.

Nun die Klirrmessung:
[Blockierte Grafik: http://img.hifitest.de/car_hifi_lautsprecher_16cm_focal_car_krx2_tnk_bild_1328105591.jpg]

Die rote Kurve ist hier die wichtigste, da sie den schädlichen K3 (nichtlinearer Klirr 3. Ordnung) beschreibt. Dieser befindet sich fast durchgehend unterhalb von 0,3 % (siehe Skala rechts), insbesondere auch da wo das Ohr am empfindlichsten darauf regiert (1-3 Khz). Die Leistung ist hier als gut zu bezeichnen. K2 (blau) steigt unterhalb von 2 Khz fast explosionsartig, was nicht schlimm ist, da bei 3,5 Khz getrennt wird. Wir sehen hier aber auch eine deutliche Spitze ab 15 Khz und eine weitere um 20 Khz... das deuten ganz klar auf Resonanzen, bzw das Aufbrechen der Membran hin, in einem Bereich den man prinzipiell noch hören könnte.

Fazit: Anhand dieser Messwerte ist der Hochtöner eher durchschnittlich bis unterdurchschnittlich, was die Linearität des Frequenzgangs und den Klirr angeht. Auch ist eine Trennung <3,5 Khz kaum möglich. Eine niedrige Trennung ist immer von Vorteil, wenn es die Komponenten ermöglichen. Ziel wäre es in den Bereich von 2-2,5 Khz, also fast eine Oktave tiefer zu kommen. Der Vorteil ist, das man mehr Schallanteile gezielt kontrollieren und auf den Zuhörer ausrichten kann. Zudem geht man den üblichen Resonanzen der nachfolgenden Mitteltöner aus dem Weg, deren Membranen oftmals ab 2 Khz und aufwärts erste Störungen aufweisen.

Nun zum Mitteltöner dem Focal 4 K Slim. Es ist ein 10cm Treiber mit nur 39 mm Einbautiefe. Er ist also auch zur Montage in den Türen des E92/E93 geeignet, sie ca 10-15mm weniger Platz haben, als die des E90/E91. Die gelbe Membran ist hier dreilagig, zwei Matten Kevlergewebe umschließen einen Schaumstoffkern. Damit ist die Membran recht steif, leicht und durch den Schaumstoff auch bedämpft. Das ist sicherlich ein Highlight diese Treibers. Der silberne "Phaseplug" in der Mitte der Membram ist eher ein Designelement, obwohl man früher argumentiert hat, dass sowohl das Abstrahlverhalten, also auch die Kühlung des Polkern verbessert werden. Der Korb ist aus druckgegossenem Metall und hat große Aussparungen zur Belüftung hinter, bzw unterhalb der Zentrierspinne. Das ist deswegen sehr sinnvoll, weil die dort üblicherweise eingeschlossene Luft bei großen Hüben fast widerstandslos hinausströmen kann und so die mechanischen Verluste des Chassis senkt (Qms = 9,5). Die Sicke ist aus Gummi und großzügig ausgeformt um größere Auslenkung zuzulassen. Im Datenblatt sind hier 2,5 mm angegeben, was für die Größe in Ordnung aber auch nicht übermäßig viel ist. Die Schwingspule ist 25 mm groß, 8,5 mm hoch und auf Kapton gewickelt, was Wirbelströme (durch Induktion) verhindert. Das Magnetsystem besteht aus einem kleinen Neodym-Magneten, der diese flache Bauart überhaupt erst ermöglicht. Wie es um den Motor/Antriebssystem genau beschaffen ist, z.b. ob Kurzschlussringe zur Klirr-Reduktion verbaut sind, ist nicht bekannt. Focal war hier in der Vergangenheit etwas hinterher, bei modernen Konstruktionen ist dies heute Standard.

Leider ist die Resonanzfrequent (Fs) mit 140 Hz recht hoch, so dass man normalerweise bei ca 300 Hz trennen würde (eine Oktave darüber). Die Möglichkeit haben wir jedoch nicht, das die Tieftöner unterhalb der Sitze nur bis max 200 Hz laufen können. Den kleinen Treiber so nah an seiner Fs zu treiben wird zwangsläufig viel Hub und damit viel Klirr mit sich bringen. Focal gib selbst als simuliertes Ergebnis im Datenblatt 120 Hz Grenzfrequenz (F3) bei 30 l Gehäusevolumen an... das geht natürlich am Einsatzszenario komplett vorbei.

An Messwerten ließ sich nur das Vorgängerset (K2 100 KP), was scheinbar aber den gleichen Mitteltöner beeinhaltet, auffinden (siehe Bildanhang). Hier sehen wir bei 1,6 Khz eine Resonanz in Form eines verzögerten Ausschwingverhaltens im Wasserfalldiagramm. Sie ist zwar sehr schmalbandig aber unglücklicherweise in einem Bereich, wo das Ohr sehr empfindlich ist. Die Messwerte weise auch 84,4 dB Wirkungsgrad aus und nicht die beworbenen 90 dB des Sets oder die 87 dB des Mitteltöners laut Datenblatt. Das liegt aber auch daran, dass "autohifi" hier mit 2 V statt der üblichen 2,83 V gemessen hat und somit weniger Verstäkerleistung zur Verfügung stand. Als max. Pegel werden bei 150 Hz 99 dB ausgewiesen, bei den angepeilten 200 Hz dürfte es noch mehr sein, was für einen 10cm Treiber ordentlich ist.

Fazit: Auch der Mitteltöner macht einen gemischten Eindruck. Für das Einsatzgebiet zu hohe Resonanzfrequenz und Resonanzen mitten im Übertragungsbereich. Letzere lassen sich auch mit Anpassungen der Frequenzweiche nicht beheben, da man sonst bei 1,5 Khz trennen müsste. Die Konstruktion an sich ist hochwertig und auch die Pegelfestigkeit ist lt. Messdaten (siehe unten) gegeben. Fraglich ist, ob diese Nachteile im Auto als solche hörbar sind oder durch andere Effekte überdeckt werden. Grundsätzlich ist aber fehlerfreies Material als Ausgangsbasis wünschenswert.