Produkt: Elation TVL F1
Elation TVL F1
Die neue LED-Stufenlinse von Elation im PRODUCTION PARTNER-Test.
Physikalische Grundlagen und die praktische Ausführung der Schallwandlung

PA-Anlage: Wie funktioniert ein Lautsprecher?

Kein Glied der Signalverarbeitungskette von der Aufnahme und Produktion bis zur Reproduktion beim Konsumenten hat ein so ausgeprägtes, eigenwilliges Ego wie der Lautsprecher. Wenn man jedoch die Funktionsweise von Lautsprechern erst einmal versteht, kommt man auch mit dem großen Ego zurecht.

Lage Format Point Source von KV2
Less is more: VHD Lage Format Point Source (links) und ES1.0 (rechts) auf Subs ES2.5 (Bild: Detlef Hoepfner)

Inhalt: 

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Schallabstrahlung von Lautsprechern
Mehrwege-Verpackungen
Elektrodynamische Lautsprecher
Magnetostaten
Elektrostaten
Piezoelektrische Lautsprecher
Druckkammertreiber und Hornlautsprecher
Bassboxen
Von der passiven Frequenzweiche zur Aktivbox


Während es schwer fällt, bei makellosen Audio-Komponenten wie zum Beispiel Verstärkern noch Unterschiede zwischen unterschiedlichen Modellen heraus zu hören, sind diese bei Lautsprechern oft deutlich wahrnehmbar, und das, obwohl es mit moderner Messtechnik und Signalverarbeitung leicht geworden ist, ihnen einen hinreichend linearen, neutralen Frequenzgang zu verpassen. Warum bleiben Lautsprecher trotzdem Individualisten mit spezifischen Charakterzügen, und warum bleibt die Wiedergabe über Lautsprecher stets von der Originalsituation im Konzertsaal unterscheidbar?

Werfen wir einen Blick auf die physikalischen Grundlagen und die praktische Ausführung der Schallwandlung, um ihnen auf die Schliche zu kommen. Am Anfang einer Musikproduktion steht − zumindest bei der Aufnahme von „natürlichen“ Musikinstrumenten und Stimmen − das Mikrofon.

Es ist praktisch immer ein reziproker Wandler, der Schall also nicht nur aufnehmen, sondern auch wiedergeben kann. Die Wandlungsprinzipien der Wandler (elektrodynamisch, kapazitiv, seltener piezoelektrisch) kommen auch bei Kopfhörern (deren Antriebe tatsächlich mit Mikrofonkapseln viel gemeinsam haben) und Lautsprechern zum Einsatz.

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Schallabstrahlung von Lautsprechern

Ein Mikrofon hat es allerdings in vielerlei Hinsicht einfacher als ein Lautsprecher, seinen Job zu erledigen. Es ist in der Lage, trotz seiner schon aus dem Namen hervorgehenden Winzigkeit den vollständigen hörbaren Frequenzbereich (und darüber hinaus) zu wandeln. Beim Lautsprecher sehen die Verhältnisse anders aus − um tatsächlich „laut zu sprechen“, also nennenswert Schall zu produzieren, muss er gewisse Dimensionen aufweisen, die mit der Wellenlänge des wiederzugebenden Signals wachsen. Das entspricht unserer Alltagserfahrung, nach der nur große Hunde respekteinflößend knurren und nur voluminöse Objekte amtlichen Tiefbass produzieren können. Bei elektromagnetischen Wellen hat diese Tatsache ihre Entsprechung in der Antennentechnik, bei der im Gigahertzbereich mit fingergroßen Stummeln effektiv gefunkt werden kann, während Antennen für Mittel- und Langwellensender fußballfeldgroße Areale belegen.

Grafik Konuslautsprecher
Aufbau eines typischen elektrodynamischen Konuslautsprechers mit konventionellem Ferrit-Ringmagneten (Bild: Gottfried Behler)

Der Grund dafür liegt im Widerstand des Übertragungsmediums Luft, der dem vibrierenden Schallerzeuger entgegen gesetzt wird und ohne den es keine Leistungsübertragung geben kann. Er ist in dem im Vergleich zu Flüssigkeiten oder gar Feststoffen sehr dünnen Gas der Atmosphäre eh schon recht gering, was bei direkt strahlenden Lautsprechern einen sehr geringen Wirkungsgrad zur Folge hat, nimmt aber bei tiefen Frequenzen, bei denen die Wellenlänge des abzustrahlenden Schalls groß im Verhältnis zum Lautsprecher wird, noch mal dramatisch ab.

Anschaulich gesprochen schiebt die Membran des Lautsprechers in diesem Fall nur Luft in nächster Nähe hin und her, ohne dass es zur Fortpflanzung von Druckschwankungen über eine größere Entfernung, also zur Abstrahlung einer Welle käme. Ohne eine gewisse Größe des Lautsprechers im Vergleich zur Wellenlänge lässt sich das Übertragungsmedium Luft buchstäblich kaum beeindrucken.

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Mehrwege-Verpackungen

Lautsprecher für die Abstrahlung von tiefen Frequenzen erfordern also das Verschieben großer Luftvolumina mit beträchtlichen Hüben, wozu relativ große und schwere Membranen erforderlich sind. Bei mittleren und hohen Frequenzen werden diese allerdings zu träge, um der antreibenden Kraft zu folgen. Der erzeugte Schalldruck nimmt deshalb dort rapide ab. Außerdem bündeln großflächige Lautsprecher den Schall bei steigender Frequenz zunehmend auf Achse, bis sich sogar ausgeprägte Nebenkeulen und dazwischen liegende Nullstellen ausbilden. Unter diesen Winkeln ist von dem Lautsprecher bei der jeweiligen Frequenz gar nichts zu hören.

Aus diesen Gründen werden Lautsprecherboxen fast immer als Mehrwegesysteme ausgelegt, das heißt, dass kleinere Lautsprecher mit viel leichteren Membranen die Mitten und Höhen abdecken. Für kleine Regalboxen und Nahfeld-Monitore, bei denen der Tieftöner klein ist und deswegen bis zu den Mitten betrieben werden kann, reichen häufig zwei Wege. Für größere Standboxen und die meisten PA-Systeme sind drei Wege typisch. Bei Systemen mit getrennten Subwoofern für die Abstrahlung der tiefsten Frequenzen (ab 30 bis 100 oder 150 Hz) sind nicht selten vier Wege im Spiel. Bevor wir uns dem Aufbau dieser Systeme und ihrer Komponenten widmen, werfen wir zunächst einen Blick auf die wichtigsten physikalischen Prinzipien zur Realisierung einer im Takt des Musiksignals schwingenden Oberfläche.

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Elektrodynamische Lautsprecher

Das weitaus häufigste und im Tieftonbereich quasi ausschließlich genutzte Wandlungsprinzip bei Lautsprechern ist das elektrodynamische, welches wie auch in Elektromotoren auf den magnetischen Kräften beruht, die stromdurchflossene Leiter in einem magnetischen Feld erfahren. Auf der Aufnahmeseite kommt es beim Tauchspulen-Mikrofon zum Einsatz (berühmter Vertreter: Shure SM58). Elektrodynamischen Mikrofonen, Kopfhörern und Lautsprechern gemein ist ein Permanentmagnet (in der frühen Anfangszeit der Radiotechnik, als Magnetmaterialien noch teuer waren, auch ein Elektromagnet, der von der Heizspannung für die Röhren betrieben wurde), dessen statisches Feld von magnetisch gut leitenden Weicheisenteilen auf einen engen kreisrunden Luftspalt fokussiert wird.

In diesem befindet sich die nach vorne und hinten bewegliche Schwingspule (englisch: voice coil), die auf einem hochtemperaturfesten Träger (zum Beispiel aus Kapton oder Aluminium) gewickelt ist. Dieser ist wiederum mit der schallabstrahlenden Membran verklebt, die mit Hilfe von Sicke und Spinne federnd am oberen und unteren Rand des Korbes aufgehängt ist.

Fließt Strom durch die Spule, so bildet sich senkrecht zum Draht und zum Magnetfeld eine proportionale Lorentzkraft aus, welche die Membran über den Spulenkörper antreibt. Bei tiefen Frequenzen wirkt die Membran dabei weitgehend wie ein starrer Kolben, das heißt, ihre gesamte Fläche bewegt sich einheitlich mit der Schwingspule. Für hohe Frequenzen wird sie hingegen zunehmend „labbriger“, was dazu führt, dass sich weiter vom Mittelpunkt entfernte konzentrische Gebiete teilweise in die entgegengesetzte Richtung der antreibenden Schwingspule bewegen.

Im Querschnitt von der Seite betrachtet führt die Membran also biegewellenartige Bewegungen aus wie die Wasseroberfläche eines Sees, in welchen ein Stein geworfen wird. Sind Antrieb, Membran und Aufhängung außerdem leicht inhomogen (was sich in der Praxis nie vollständig vermeiden lässt), so können sich neben den  konzentrischen auch sektorweise Partialschwingungen, also taumelnde Bewegungen der Membran ergeben (die im Extremfall sogar zur Zerstörung durch Verkeilung der Schwingspule führen können). Bei Frequenzen, bei denen sich die nach vorne und  hinten schwingenden Flächen genau ausgleichen, entstehen tiefe Einbrüche im Frequenzgang.

Bei Tief- und Mitteltönern lassen sich diese Probleme durch Auswahl steifer Membranmaterialien und konstruktive Details auf Frequenzen oberhalb des Nutzbereiches schieben. Bei Hochtönern, ganz besonders den großen 3- oder gar 4-Zoll-Kalotten von Druckkammertreibern, auf die prinzipbedingt auch noch besonders hohe Kräfte einwirken, stellen sie hingegen einen ständigen Begleiter dar. Solche Treiber sind eigentlich zur Schallwiedergabe oberhalb von 10 kHz gar nicht geeignet, und ihre Frequenzgänge offenbaren dort fast immer ein wirres auf und ab mit riesigen Löchern und nur einigen wenigen Frequenzen, bei denen noch nennenswerter Schalldruck erzeugt wird.

Aber auch kleinere Kalotten für den HiFi- und Studiobereich leiden bei höchsten Frequenzen unter Partialschwingungen. Zur Linderung lassen sich auch hier steifere Materialien wie Aluminium, Keramiken oder gar besonders leichte und bisweilen giftige, hauptsächlich in der Rüstungs- und Weltraumtechnik verwendete Spezialsubstanzen wie atomares Beryllium einsetzen, die allerdings zu umso ausgeprägteren höchstfrequenten Resonanzen neigen. Diese sind aber weniger tragisch, wenn sie in den unhörbaren Bereich oberhalb von 20 kHz fallen.

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Magnetostaten

Statt der ringförmigen Einleitung der Kraft vom Spulenträger in die Membran wäre es zur Vermeidung von Partialschwingungen viel günstiger, wenn die antreibende Kraft gleichmäßig über die gesamte abstrahlende Fläche angreifen würde. Und in der Tat existieren elektrodynamische Lautsprecher mit dieser Eigenschaft. Sie werden in Analogie zu den im Anschluss besprochenen Elektrostaten, bei denen ebenfalls die gesamte Membran gleichmäßig angetrieben wird, gerne Magnetostaten genannt, obwohl das nicht ganz den Kern trifft, denn ein statisches Magnetfeld existiert ja aufgrund der Permanentmagnete auch in konventionellen Lautsprechern.

Der vom prinzipiellen Aufbau her einfachste Vertreter der Magnetostaten ist der klassische Bändchenhochtöner. Bei ihm ist eine hauchdünne leitende Folie, meist aus Aluminium (ähnlich wie Alufolie für Küchenzwecke), vertikal zwischen den ausgestreckten Polplatten eines möglichst kräftigen Permanentmagneten befestigt − manchmal gefaltet, meistens aber gestreckt. Im Gegensatz zum klassischen elektrodynamischen Lautsprecher mit Schwingspule fließt der Strom im Bändchenhochtöner also nur einmal das Magnetfeld entlang.

Gleichzeitig ist der elektrische Widerstand der Folie mit ca. 0,2 Ohm sehr gering. Er muss deshalb zum Anschluss an normale Audio-Verstärker mit Hilfe eines angeflanschten Transformators hochtransformiert werden, womit auch der Strom durch das Bändchen auf die hohen Werte gebracht wird, die für die Erzeugung einer nennenswerten Antriebskraft erforderlich sind. Der Trafo ist allerdings selbst ein kritisches Bauteil, welches durch Hysterese und Sättigung nichtlineare Verzerrungen erzeugen und bei Erhitzung zu einem Empfindlichkeitsverlust führen kann. Außerdem muss er über einen Kondensator an den Verstärker angeschlossen werden, da bei tiefen Frequenzen nur der Gleichstromwiderstand seines primärseitigen Spulendrahtes übrig bleibt.

 

Schaubild Arbeitsweise Prinzipielle Arbeitsweise eines Magnetostaten
Prinzipielle Arbeitsweise eines Magnetostaten (Bild: Swen Müller)

Auf den Trafo kann verzichtet werden, wenn statt des feinen Metallbändchens eine Kunststofffolie verwendet wird, auf welche eine Alu-Leiterbahn als planare Spirale aufgebracht wird. Die Breite und Dicke der Bahn sowie Anzahl ihrer Umrundungen wird so gewählt, dass sich gleich eine passende Nennimpedanz (4 oder 8 Ohm) für den Anschluss an normale Verstärker ergibt. Da der Strom nun rechts und links vom Mittelpunkt in entgegengesetzten Richtungen fließt, muss ähnlich wie beim konventionellen Lautsprecher der eine Pol des Magnetkreises in die Mitte und der andere über Weicheisenteile an die beiden Außenseiten rechts und links geführt werden, damit die antreibenden Kräfte auf beiden Seiten gleich sind.

 

Die nach diesem Prinzip aufgebauten planar ribbon tweeter taugen nicht nur für den HiFi-Bereich, sondern werden auch für Großbeschallungsanwendungen gebaut (zum Beispiel von Alcons Audio und SLS). Durch ihre mit gleichmäßig verteilter Flächenkraft angetriebene, federleichte Membran erstreckt sich ihr Frequenzbereich mühelos bis 30 oder 40 kHz, ohne von tiefen Einbrüchen durch Partialschwingungen oder Überhöhungen durch Membranresonanzen geplagt zu werden. Das exzellente Übertragungsverhalten manifestiert sich auch in ihrer Impulsantwort, deren messerscharfem Peak praktisch keine Nachschwinger folgen.

Als dritte Bauart der Magnetostaten erfreut sich der „Air Motion Transformer“ für den HiFi- und Studiomonitor-Bereich steter Beliebtheit. Bei diesem ist die Membran Ziehharmonika-artig gefaltet. Der hindurchfließende Strom zieht je nach Polarität die Falten auseinander oder drückt sie zusammen, was zu einer senkrecht auf der Membranfläche stehenden Luftströmung und Schallausbreitung führt. Wie auch bei den anderen Bauformen der Magnetostaten gibt der AMT mühelos die erste Ultraschall-Oktave (20–40 kHz) wieder.

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Elektrostaten

Auch beim elektrostatischen Lautsprecher wird die gesamte Membran, die bei Bedarf sehr groß ausfallen kann, gleichmäßig angetrieben, allerdings nicht von einem stromdurchflossenen Leiter, sondern von der elektrostatischen Anziehung bzw. Abstoßung zwischen Objekten mit unterschiedlichen Ladungen. Die Membran ist elektrisch leitend (Metall oder metallisierte Kunststofffolie) und von gelochten Gegenelektroden umgeben. Sie erzeugen mit Hilfe einer angelegten Spannung von einigen hundert Volt ein elektrostatisches Feld, denen das Audiosignal überlagert wird und so die Membran zum Schwingen bringt.

Die Anziehungskraft zwischen Membran und Gegenelektrode besitzt eine quadratische Abhängigkeit vom Kehrwert des Abstands zwischen beiden, was schon bei relativ kleinen Auslenkungen zu nichtlinearen Verzerrungen führt. Diese lassen sich durch eine Gegentakt-Anordnung (Elektroden vor und hinter der Membran, die mit invertierter Phase angesteuert werden), welche bei den meisten Elektrostaten auch üblich ist, erheblich verringern.

Die mit Elektrostaten erzeugbaren maximalen Schalldrücke sind nicht sonderlich hoch, denn der Abstand zwischen Gegenelektrode(n) und der Membran muss zur Erzielung einer brauchbaren Flächenkraft sehr gering sein, womit sie aber andererseits nur zu kleinen Amplituden in der Lage ist. Ihre Dipolstrahler-Eigenschaft (sie strahlen das Audiosignal nach hinten mit invertierter Phase ab) macht zudem ihre Aufstellung ziemlich kritisch.

Deshalb findet man diesen Wandlertyp nur in den Abhörräumlichkeiten weniger Audiophiler wieder, denen Exklusivität über Schalldruck und weitere praktische Aspekte wie kontrolliertes Abstrahlverhalten geht. Im Tieftonbereich haben Elektrostaten aufgrund der nur geringen maximalen Membranauslenkung nichts zu melden. Bei der üblichen offenen Bauweise mit Dipol-Eigenschaften verhindert außerdem alleine schon der akustische Kurzschluss die Abstrahlung tiefer Frequenzen. Sie müssen für anständige Basswiedergabe deshalb stets durch einen „konventionellen“ elektrodynamischen Subwoofer ergänzt werden.

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Piezoelektrische Lautsprecher

Der Vollständigkeit halber sei noch der piezoelektrische Lautsprecher erwähnt, dessen antreibendes Element aus einem piezoelektrischen Kristallmaterial (zum Beispiel dem ferroelektrischen Blei-Zirkonat-Titanat) besteht, welches sich bei Anlegen einer äußeren Spannung verformt. Auch dieser Prozess ist reziprok, das heißt, bei von außen einwirkenden Kräften erzeugt das Material eine Spannung an den Stirnflächen, die bei Schlägen so hoch werden kann, dass das Prinzip z. B. in Zündern für Feuerzeuge und Gasherde angewandt wird.

Auch als Wandlerelement in Mikrofonen mit beachtlicher Empfindlichkeit lässt es sich verwenden und „Kristallmikrofone“ waren deswegen lange Zeit in der Funktechnik beliebt. Beim Einsatz in Lautsprechern ist die Amplitude des Feststoffs wiederum gering, weshalb auch „Piezos“ nur für den Mittel- und Hochtonbereich in Frage kommen. Die Fehlanpassung der akustischen Impedanz zwischen der harten Keramik und der extrem nachgiebigen Luft ist beträchtlich. Deswegen fühlen sich Piezowandler in den wesentlich dichteren und weniger kompressiblen Flüssigkeiten und an Feststoffen auch erheblich wohler und sind das vorwiegende Wandlungsprinzip bei Hydrofonen, in welchen sie zur Erzeugung von Frequenzen bis in den zweistelligen Megahertz-Bereich in der Lage sind.

Bei Hifi und Beschallung spielen sie wegen des wenig linearen Frequenzgang mit ausgeprägten Resonanzen sowie ihrer Nichtlinearitäten kaum eine Rolle, allerdings werden sie wegen ihres günstigen Preises und der möglichen extrem flachen Bauart (dünner als 1 mm) Milliarden-fach in Mobiltelefonen, Kameras und anderen kompakten Gerätschaften sowie in Computern und Ultraschall-Alarmanlagen eingesetzt.

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Druckkammertreiber und Hornlautsprecher

Übliche direktstrahlende Konuslautsprecher haben einen erschreckend geringen erscheinenden Wirkungsgrad, der zum Beispiel bei HiFi-Tief- und Mitteltönern nur in der Größenordnung von 1 % liegt. Von 100 eingespeisten Watt wird also nur ein einziges tatsächlich als akustische Leistung abgestrahlt, der Rest hingegen in Verlustwärme umgewandelt. Der Hauptgrund für diese miserable Effizienz liegt in der hohen Nachgiebigkeit der Luft. Anschaulich gesprochen trifft die vibrierende Membran auf sehr geringen Widerstand (der sich aus dem Produkt von Schallgeschwindigkeit und Dichte der Luft ergibt), so dass sich nur ein vergleichsweise geringer Druck durch die von der Membran eingeprägte Volumenschnelle aufbaut. Dieser lässt sich allerdings beträchtlich erhöhen, wenn der Lautsprecher zunächst auf eine sehr kleine Kammer arbeitet, deren eingeschlossenes Luftvolumen wesentlich unnachgiebiger ist und nur durch eine Öffnung entweichen kann, deren Fläche deutlich kleiner ist als die der antreibenden Lautsprechermembran.

Der Widerstand, den die Membran spürt, erhöht sich dadurch um das Verhältnis der Flächen. An der Austrittsstelle erzeugt der hohe Druck eine hohe Schnelle der Luftmoleküle. Üblicherweise erfolgt der Übergang zur Umwelt aber nicht abrupt, sondern es wird ein Horn angeflanscht, dessen Mund den gleichen Anfangsquerschnitt wie der Austritt des Kompressionstreibers aufweist und sich dann allmählich aufweitet. Auf diese Weise lässt sich die Effizienz am unteren Ende des beabsichtigten Übertragungsbereichs noch erhöhen, vor allem aber der Schall auf einen gewünschten Bereich fokussieren, was den Schalldruck dort nochmals beträchtlich erhöht.

Für Hochleistungs-Beschallungssysteme sind zumindest für den Hochton-, meist aber auch noch den Mitteltonbereich und gelegentlich sogar den Bassbereich Hornsysteme absolut üblich, unterscheiden sich aber vom Aufbau her gemäß der Wellenlängen, die im Bassbereich so groß werden, dass sich dort Hörner nur in gefalteter und verkürzter Form realisieren lassen und unter normalen Umständen nicht bis in die allertiefsten Basslagen vordringen. Darüber allerdings ist ihr körperlich erfahrbarer punch massiv und ihre Direktheit beeindruckend. Im für die saubere Gesangs- und Sprachwiedergabe besonders wichtigen Mitteltonbereich kommen Konuslautsprecher mir starkem Antrieb und besonders reißfesten Membranen zum Einsatz, die auf Hörner arbeiten, welche häufig ebenfalls gefaltet sind und praktisch das gesamte Gehäusevolumen einnehmen. In diesen sind die Hochtonhörner häufig mittig eingearbeitet, insbesondere bei Line-Arrays.

Neben den Vorteilen der deutlich höheren Effizienz, größeren Tragfähigkeit und planbar gleichmäßigen Richtcharakteristik von Hornlautsprechern ist zumindest bei mittleren Pegeln auch noch eine Abnahme des Klirrfaktors als Pluspunkt zu nennen. Das liegt daran, dass die Membran des Treibers zum Erzeugen des gleichen Schalldrucks am Abhörpunkt einen deutlich geringeren Membranhub ausführen muss als ein Direktstrahler, mithin also die durch ein inhomogenes Magnetfeld und nichtlineare Federkennlinie der Aufhängung bedingten Klirrmechanismen weniger in Erscheinung treten. Auf der anderen Hand können die Schalldrücke und -schnellen in Druckkammern insbesondere im Mittel/Hochtonbereich so hoch werden, dass sich der nichtlineare Zusammenhang zwischen Druck und Schnelle des Mediums (in diesem Fall also der Luft) bemerkbar macht.

Außerdem entstehen bei so hohen Pegeln häufig Strömungsgeräusche. Resonanzen in der Druckkammer sowie Mehrfach-Reflexionen zwischen Hornaustritt (wo durch den abrupten Übergang vom Horn in den Raum ein Sprung der Wellenimpedanz entsteht) und Hornmund sorgen für einen unruhigen, häufig von hohen Spitzen und tiefen Einbrüchen verunzierten Frequenzgang. Dazu tragen auch die unvermeidbaren Partialschwingungen bei, die gerade bei größeren Druckkammertreibern (insbesondere den 2″-Ungetümen mit 4″-Kalottenmembran) ab ca. 10 kHz den Frequenzgang mit tiefen Einbrüchen durchziehen.

Unser Gehörsinn ist aber solchen schmalbandigen notches gegenüber relativ tolerant und eine passende Entzerrung, welche den bei constant directivity Hörnern (CD) üblichen Höhenverlust ausgleicht und zumindest die Überhöhungen ausbügelt, kann sie sehr seidig und high-fidel klingen lassen. Deshalb sind sie auch im höchstpreisigen High End Sektor keine Unbekannten, wo sie selbst an esoterischen, nur eine Hand voll Watt liefernden Edelverstärkern in Class-A-Röhrentechnik auf verchromten Chassis ausreichende Lautstärken produzieren können, um den betuchten audiophilen Klassik- bzw. Jazz-Fan in Ekstase zu versetzen.

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Bassboxen

Wird ein nicht eingebauter Lautsprecher einzeln betrieben, tritt ein Problem auf: Bei der Vorwärtsbewegung der Membran wird die Luft vor ihr komprimiert, hinter ihr aber entspannt − und umgekehrt. Dies hat bei tiefen Frequenzen (bei denen der Lautsprecher klein im Vergleich zur Wellenlänge ist) zur Folge, dass schlicht ein Druckausgleich um den Rand des Lautsprechers herum stattfindet und schon alleine deswegen keine Schallabstrahlung möglich ist. Der Beginn dieses als „akustischer Kurzschluss“ bekannten Phänomens lässt sich zu tieferen Frequenzen hin verschieben, indem der Lautsprecher in eine größere Platte oder aber in einen hinten offenen Kasten eingebaut wird, wie es bei antiken Röhrenradios und steinalten Fernsehern mit Bildröhre der Fall war. Um ihn gänzlich zu vermeiden, muss der Lautsprecher entweder in eine (nahezu) unendliche Wand oder aber in ein geschlossenes Gehäuse (englisch: box) eingebaut werden.

Letzteres hat allerdings zur Folge, dass die eingeschlossene Luft wie eine dritte Feder (neben Sicke und Spinne für die Membranaufhängungen) wirkt, welche die Resonanzfrequenz des Lautsprechers nach oben treibt. Unterhalb dieser Resonanzfrequenz nimmt der Schalldruck mit 12 dB/Oktave ab. Je größer die Box ist, umso nachgiebiger ist das eingeschlossene Luftvolumen und umso weniger steigt die Resonanzfrequenz des Lautsprechers. Dies ist der Hauptgrund, warum moderne Flach-TVs mit LCD- oder Plasmabildschirmen im Vergleich zu den früheren voluminösen Trümmern mit wuchtigen Bildröhren zwar mit gestochen scharfen Bildern, aber weniger mit ihrem Klang beeindrucken können.

Die meisten heutigen Lautsprecherboxen sind allerdings nicht geschlossen, sondern haben eine oder mehre Öffnungen, hinter denen normalerweise mehr oder weniger lange Rohre ins Gehäuseinnere führen. Der Effekt dieser Anordnung ist, dass das in den Rohren befindliche Luftvolumen wie ein Stopfen auf dem nachgiebigeren Innenvolumen federt und so einen Helmholtz-Resonator bildet. Bei dessen Resonanzfrequenz findet praktisch die gesamte Schallabstrahlung über die zusätzliche(n) Öffnung(en) statt. Die Auslenkung der Lautsprechermembran ist dort hingegen minimal, da der Resonator ihr viel Kraft abverlangt und sie so ausbremst. Mit diesem verwirrenderweise „Bassreflex“ genannten Prinzip (tatsächlich werden dabei nirgends Bässe „reflektiert“) lässt sich bei gleichen Gehäuseabmessungen der Übertragungsbereich um ungefähr eine Oktave nach unten verschieben. Unterhalb der Resonanzfrequenz sinkt der Schalldruck nun aber um sogar 24 dB/Oktave, denn bei tieferen Frequenzen macht sich zunehmend der offenkundige akustische Kurzschluss bemerkbar.

Neben den Bassreflexboxen gibt es noch Anordnungen, bei denen der Lautsprecher im Innern der Box auf zwei verschiedene Kammern arbeitet, die jede für sich einen Resonator mit nach außen geführtem Rohr darstellt. Die beiden verschiedenen Resonanzfrequenzen lassen sich geschickt so platzieren, dass der Übertragungsbereich dazwischen linear ist und darüber hinaus beidseitig abfällt. Dieses schlüssigerweise „Bandpass“ genannte Konzept erlaubt bei Einsatz antriebsstarker und mechanisch hoch belastbarer Lautsprecher besonders hohe Schalldrücke, da die Auslenkung der Membran im Nutzbereich relativ gering bleibt.

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Von der passiven Frequenzweiche zur Aktivbox

Für die qualitativ hochwertige Reproduktion von Schall im gesamten hörbaren Bereich sind, wie schon erläutert, stets mindestens zwei oder mehr für den jeweiligen Frequenzbereich optimierte Lautsprecher erforderlich. Die Aufteilung des Musiksignals auf die verschiedenen Wege übernimmt die Frequenzweiche. Bei den meisten HiFi-Boxen für die Beschallung des trauten Heims und manchen PA-Boxen (PA = public address, also Systeme für die Beschallung von Menschenmengen) ist das eine rein passive (das heißt, ohne extra Stromversorgung und Verstärkung auskommende) Schaltung aus Kondensatoren, Spulen und Widerständen, die eine grobe Aufteilung, Pegelanpassung und Entzerrung (Linearisierung des Frequenzgangs) vornimmt und für jeden Boxentyp speziell entworfen werden muss.

Kondensatoren und Spulen
Passive Frequenzweiche einer Zweiwegebox mit Kondensatoren (gelb), Leistungswiderständen (weiß) und Spulen (Bild: Swen Müller)

Die verwendeten Bauteile, insbesondere die Spulen für den Bassbereich, sind groß, schwer, und wegen des Kupferpreises auch ziemlich teuer. Außerdem sind die erzielbaren Filter-Flankensteilheiten zur Trennung der einzelnen Bereiche mit typischerweise 12 dB/Oktave (seltener auch 18 oder gar 24 dB/Oktave) nur mäßig, weshalb es breite Überlappungsfrequenzbereiche zwischen den Wegen gibt, in denen beide beteiligten Lautsprecher abstrahlen. Dies wiederum führt zu Einbrüchen im Frequenzgang, wenn beide Chassis vom Abhörpunkt aus gesehen mit entgegengesetzter Phase abstrahlen, und erschwert das Erreichen eines kontrollierten Richtverhaltens.

Grafik Signalverarbeitung
Signalverarbeitung für Aktivboxen (Bild: Swen Müller)

Aus diesem und einer Reihe von weiteren Gründen setzen sich aktive Lösungen immer mehr durch. Dort erfolgt die Trennung der Frequenzbereiche und bereichsweise Einebnung des Frequenzgangs auf Kleinsignal-Niveau vor der Leistungsverstärkung. Mit mehrstufigen analogen Schaltungen aus Operationsverstärkern, Kondensatoren und Widerständen lassen sich schon deutlich komplexere Entzerrungen und Trennungen mit höheren Flankensteilheiten durchführen, als es mit passiven Weichen praktikabel wäre.

Zusätzlich lassen sich auch noch Limiter zum Schutz der Chassis gegen mechanische Zerstörung und Überhitzung einbauen. Geräte, welche diese Funktionen in sich vereinigen, werden Controller, oder vornehmer Loudspeaker Management System genannt und immer häufiger komplett mit digitaler Signalverarbeitung realisiert, womit sich eine enorme Funktionsvielfalt und Flexibilität ergibt. Bei großen PA-Systemen sind diese Controller in externen 19″-Geräten für die Rackmontage untergebracht und speisen häufig gleich eine ganze Batterie von Leistungsverstärkern, die wiederum die einzelnen Wege in Gruppen von Lautsprecherboxen versorgen.

Bei kleinen und mittleren Boxen, je nach Firmenphilosophie aber auch bei Großbeschallungssystemen (zum Beispiel solchen des kalifornischen Herstellers Meyer Sound) ist die komplette Elektronik inklusive der Leistungsverstärker für die einzelnen Wege in der Rückwand der Boxen eingebaut. Das ist die klassische Aktivbox, in welche statt eines großkalibrigen Lautsprecherkabels (mit bis zu acht Adern bei extern getrennten Vierwegesystemen) nur ein dünnes NF- und ein Netzkabel für den Stromanschluss gesteckt werden muss.

Dank Schaltnetzteilen und PWM-Endstufen (class D) mit hohem Wirkungsgrad können diese integrierten Lösungen heutzutage recht kompakt ausfallen und vergleichsweise wenig Verlustwärme produzieren, was wiederum die Größe der benötigten Kühlkörper und das Gewicht trotz hoher Leistung in erträglichen Grenzen hält. Ein Thema bei Aktivboxen ist allerdings stets der Ruhegeräuschpegel. Bei preiswerteren Ausführungen werden nicht unbedingt die rauschärmsten Konverter, Operationsverstärker und Endstufenmodule verbaut, was in ruhiger Studioumgebung durchaus zu hörbarem Rauschen insbesondere aus den Hochtönern führen kann.

Neben den rein passiven und voll aktiven Konzepten gibt es allerhand Zwischenlösungen. Bei guten Heimanlagen mit getrennten Subwoofern und kleinen bis mittleren PAs macht es zum Beispiel technisch und ökonomisch Sinn, die mit passiven Frequenzweichen ausgestatteten „Topteile“ für die Mitten/Hochtonwiedergabe und die Subwoofer für die Tiefbasswiedergabe aus getrennten Verstärkern zu versorgen. Die Trennung übernimmt vorab eine kleine vorgeschaltete aktive Weiche, die mit ihrer Flankensteilheit von normalerweise mindestens 24 dB/Oktave wirkungsvoll tieffrequente Leistung von den Mitteltönern und ebenso Mitten von den Subwoofern fernhält, so dass Letztere nicht so leicht ihren Standort verraten. Die Trennung sorgt außerdem dafür, dass deftige Bässe nicht durch Übersteuerung des Verstärkers den gesamten Mitten/Hochtonbereich „platt fahren“ können.

Bei aktiven Monitoren sind häufig in der Rückwand auch klangkorrigierende Regler für die Anpassung an die Abhörumgebung vorhanden, zu denen zumindest ein (meist in Stufen schaltbares) Shelving-Filter für den Bassbereich gehört, mit dem sich aufstellungsbedingte Korrekturen durchführen lassen.

Bei hohen Anforderungen an die Paargleichheit (zum Beispiel bei Studio-Abhören) lassen sich außerdem vom Hersteller insbesondere bei Einsatz der flexiblen Digitaltechnik leicht individuelle Entzerrungen für die rechte und die linke Box vornehmen. Einer der größten Vorteile der integrierten Elektronik ist (neben Vermeidung von Kupferverlusten bei langen Leitungen) der narrensichere Aufbau und Betrieb, wobei die internen Schutzschaltungen eine Überlastung und Zerstörung der Lautsprecher verhindern.

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Produkt: Elation TVL F1
Elation TVL F1
Die neue LED-Stufenlinse von Elation im PRODUCTION PARTNER-Test.

Kommentare zu diesem Artikel

  1. “Während es schwer fällt, bei (…) Verstärkern noch Unterschiede zwischen unterschiedlichen Modellen heraus zu hören, …”
    Gibt es eine technische Erklärung, warum verschiedene Transistorverstärker einen unterschiedlichen “Klang” haben sollen? Klar, ein Röhrenverstärker verbiegt den Frequenzgang so, dass keine lineare Wiedergabe möglich ist, Transorverstärker nicht.
    In diversen Blindtests konnte bisher kein Verstärkerklang nachgewiesen werden.
    Oder verfügen Sie über neue wissenschaftliche Erkenntnisse / Studien?
    PS: Hörschwellen gehören zur Betrachtung dazu und können nicht wegdiskutiert werden.

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  2. Warum klebt man die Anschlusskabel auf der Pappe fest

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  3. Tolle Sachen, super erklärt, ich bin aboslut sprachlos

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  4. Komisch das du fast ausschließlich negative Beispiele der elektrostaten gebracht hast. Die vielen Vorteile gegenüber konventionellen Treibern hast du komplett außer acht geladsen

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  5. Auch wenn es längst vergangene Zeiten betrifft- ich habe nie einen elektrodynamischen Lautsprecher aus der Röhrenradiozeit gefunden, bei dem der Magnet von der Heizspannung der Röhren gespeist worden wäre. Vielmehr war es üblich, die Magnetspule in Reihe in den Stromkreis zu schalten, der den Anodenstrom für die Röhren lieferte.
    Diese Spule wirkte dann auch gleichzeitig als Drossel zur Glättung der Anodenspannung. Die Spannung nach dem Netzgleichrichter war darum auch erheblich(!) höher als in späteren Zeiten, als bessere Magnetmaterialien den permanent- dynamischen Lautsprecher möglich machten, wie wir ihn heute kennen.

    Ansonsten- ein super Artikel!

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  6. Hallöchen allerseits,

    ja das Thema Elektrostaten wird halt immer wieder falsch dargestellt, mangels Kenntnis vermute ich. Eine der Behauptungen ist immer wieder ( vor allem falsch ) dass Elektrostaten Leisetreter wären.

    Ja sicher wenn diese falsch konstruiert wurden bzw. werden in jedem Fall. Wir haben vor ca. 20 Jahren bewiesen dass man mit dieser Gattung Lautsprecher sogar amtliche große Beschallung umsetzen kann, mit einem klanglichen Ergebnis das seines gleichen sucht.

    Dazu könnt Ihr Euch gerne meine und auch Anselm Goertz´s damaligen Messungen unserer ersten ESL Prototypen von meiner Homepage ateaudio.de runter ziehen. Diese Messungen wurden in der RWTH und während eines Konzerts in einer großen Halle ( Police Revival 10 Mann / Frau Band ) gemacht. Darüber hinaus gibt es auch einen Erfahrungsbericht von einem Open Air 2002 welches durch den SWR und dem technischen Leiter und Toningenieur / Werner Grabinger veranstaltet und verfasst wurde. Dem ist dann auch nichts mehr hinzu zu fügen. Von wegen leise …. 😉 frohe Ostern noch …. NG

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