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)

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.

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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.

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.

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.

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.

Auf der nächsten Seite geht es weiter mit der Funktionsweise von Lautsprechern!

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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