Bowers & Wilkins

Kevlar: Seit 1974 setzt Bowers & Wilkins Kevlar als Membranmaterial ein. Und das aus gutem Grund.

In den siebziger Jahren war Bowers & Wilkins der erste Lautsprecherhersteller, der Kevlar® – eine leichte, gewebte Faser mit hoher Festigkeit, die in kugelsicheren Westen eingesetzt wird – in seinen Membranen verwendete. Im Labor konnte mit Hilfe von Lasermessungen nachgewiesen werden, dass durch die Gewebenatur dieser Faser die Ausbildung konzentrischer stehender Wellen unterbunden wird und somit Klangverfärbungen deutlich reduziert werden. Seitdem haben wir die streng gehütete Mischung für das Harz, in die das Material getaucht wird, weiter optimiert.

Die meisten von uns kennen Kevlar®, die synthetische Aramidfaser aus dem Hause DuPont, wahrscheinlich am besten von den schusssicheren Westen. Die gleichen mechanischen Eigenschaften wie Kraft und die Fähigkeit, die Energie einer Kugel umzuwandeln, kommen auch Lautsprecher-Konusmembranen zugute. Bowers & Wilkins setzte Kevlar® erstmals 1976 mit der Einführung des Lautsprechers DM6 als Konusmembranmaterial ein. Damals jedoch war die Entwicklung von Lautsprechern weniger weit fortgeschritten als heute, und man wollte im Grunde genommen viel versprechende neue Materialien ausprobieren, die Reaktion des Treibers messen und sich das Ergebnis anhören. Obwohl wir wussten, dass Kevlar® besser als andere Materialien abschneiden würde, die zum damaligen Zeitpunkt auf dem Markt waren, vor allem im kritischen Mitteltonbereich, wussten wir trotzdem nicht genau, wie die Konusmembrane wirklich reagieren würden – d. h. warum sie besser klangen.

Unser Forschungsleiter Dr. Peter Fryer betreibt seit langem im Bereich der Laserinterferometrie bei Lautsprechern Pionierarbeit. Anhand dieser Technik können wir die Bewegungen der Treibermembran bei unterschiedlichen Signalen untersuchen. Zwei der nützlichsten Signale sind die Sinuskurve, d. h. ein reiner Ton bei einer Monofrequenz, und ein Impuls, d. h. ein Klickton, der alle Frequenzen gleichzeitig enthält. Wenn wir uns das Verhalten bei einer Monofrequenz mit einer Sinuskurve ansehen, erkennen wir stehende Wellen oder Resonanzen im Konus bei dieser Frequenz. Wir bekommen ferner einen Eindruck von der Art und Weise, wie der Klang sich bei Verlassen der Konusmembran verteilt. So kann eine semi-flexible Membran beispielsweise bei höheren Frequenzen so vibrieren, dass nur ein geringer Prozentsatz der Schallabstrahlung von außen, der größte Teil aber von innen herrührt. Diese wirkungsvolle Reduzierung der Abstrahlungsfläche hat den Vorteil einer Erweiterung der Streuung des Treibers verglichen mit der eines reinen Kolbens. Genau das passiert bei einer Kevlar®-Konusmembran.

Ihre wirksame Abstrahlungsfläche nimmt mit steigender Frequenz langsam ab und folglich ist ihre Streuung wesentlich einheitlicher als dies bei einem steifen Material der Fall wäre. Die Impulsreaktion des Treibers deutet auf dessen zeitlich kohärente Eigenschaften hin. Schwingt die Membran weiter, obwohl das Eingabesignal aufgehört hat, kann dies oft zu einem zeitversetzten Eintreffen des Signals – eine Form der Verfärbung – und einer resultierenden Beeinträchtigung der Signalklarheit führen. Nicht jede zeitversetzte Membranvibration führt jedoch notwendigerweise zu einer zeitlich verzögerten Ausstrahlung an den Zuhörer. Es empfiehlt sich vielleicht, die Impulsreaktion von zwei Treibern zu vergleichen. Sie sind identisch abgesehen vom Konusmembranmaterial, denn ein Treiber ist aus Kunststoff. Der Kunststoff ist homogen, d. h. anders ausgedrückt sind die mechanischen Eigenschaften in allen Richtungen die gleichen.

Der zweite Treiber hat eine Konusmembran aus gewebtem, mit Harz imprägniertem Kevlar®, das die Steifigkeit kontrolliert, und einen PVA-Verbundstoff, der das Gewebe befeuchtet und abdichtet. Das Kevlar®-Gewebe bewirkt, dass sich die mechanischen Eigenschaften der Konusmembran je nach ihrem Winkel zur Ausrichtung der Fasern unterscheiden. Beide Konusmembrane schließen an der Außenkante wie gewöhnlich mit einem gewölbten Gummiring ab. Wenn wir uns die Ultraschallbilder der zwei unterschiedlichen Konusmembrane zu unterschiedlichen Zeiten ansehen, nachdem ein Impulssignal angelegt wurde, ist erkennbar, dass die konische Form der Membran bei dem Verfahren verloren geht. Zu dem Zeitpunkt kurz nachdem ein Signal angelegt wurde, zeigte die Mitte der Konusmembran in beiden Fällen erste Bewegungen. Bei der Konusmembran aus Kunststoff breitet sich eine kreisförmige Biegewelle allmählich von der Mitte der Konusmembran nach außen aus. Bei der Konusmembran aus Kevlar® nimmt die Vorderseite der Welle jedoch bedingt durch das Gewebe eine eckige Form an.

Wenn diese Biegewellen die Verbindungsstelle zwischen der Konusmembran und der Sicke erreichen, wird ein Teil der Energie zurück in die Konusmembran gestrahlt und ein geringerer Teil in die Sicke. Der Grund dafür sind die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der beiden Materialien. So ähnlich, wie wenn Sie aus dem Fenster schauen. Sie können nicht nur hinaussehen, sondern auch ein Spiegelbild des Zimmers erkennen, weil Glas und Luft unterschiedliche optische Eigenschaften haben.

Eine weitere Schallabstrahlung tritt an der Stelle auf, an der die Sicke am Chassis oder Korb des Treibers befestigt ist. Wenn diese reflektierten Wellen die Mitte der Konusmembran erreicht haben, werden sie wieder nach außen abgestrahlt usw., bis die Bedämpfung in den Materialien schließlich die Energie umwandelt. Weil die Wellenvorderseite der Kunststoff-Konusmembran kreisförmig ist, ergeben diese unablässig reflektierten Wellen ein Muster aus konzentrischen Ringen, die den Ton verzögert an den Zuhörer strahlen, der den ursprünglich wahrgenommenen Klang ergänzt und verfärbt. Obwohl Schallabstrahlungen mit Kevlar® auftreten, geschieht dies zu unterschiedlichen Zeiten entlang der Kante, und das Bewegungsmuster der Konusmembran ist willkürlicher. Die Gesamtfläche der Konusmembran, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt nach vorne bewegt, wird stärker ausgeglichen durch die Gesamtfläche, die sich nach hinten bewegt, und ein wesentlich geringerer Teil dieser verzögerten Energie wird dann auch wirklich als Klang an den Zuhörer abgestrahlt. Die Luft gleitet einfach über die Membranoberfläche.