Ein Lautsprecher ist ein Bauteil der Elektrotechnik, das verwendet wird, um elektrische Wechselspannung oder Wechselstrom in Luftdruckschwankungen, die als Schallwellen bezeichnet werden, umzuwandeln.
Der Begriff Lautsprecher wird häufig synonym für in Gehäuse eingebaute Lautsprecher-Chassis ggf. mit Weiche und/oder Leistungsverstärkern, aber auch für einzelne Wandler (Chassis bzw. Treiber) benutzt.
Geschichte des Lautsprechers
Als um 1870 Thomas Alva Edison die ersten Experimente mit seinem Phonographen durchführte und Alexander Graham Bell das erste funktionsfähige Telefon konstruierte, ahnten beide wohl noch nicht, dass die mechanischen Schallwandler, die sie ganz nebenbei erfunden hatten, Vorläufer eines Bauteils waren, das mehr als ein Jahrhundert später immer noch gut für kontroverse Diskussionen sein sollte und dessen technischer Horizont in der Morgendämmerung des dritten Jahrtausends gerade erst zu erahnen ist.
Die mechanischen Schallwandler von Thomas Alva Edison und Emile Berliner kamen noch ohne elektrischen Strom aus; als Begründer der modernen Lautsprecher gilt daher der an der Universität Birmingham lehrende Physikprofessor Sir Oliver Lodge, der im Jahre 1898 die Gesetze des Elektromagnetismus anwandte, um eine Versuchsanordnung aufzubauen, die durch elektrischen Strom hervorgerufene Laute erzeugt. Für die im heutigen Sinne naturgetreue Wiedergabe von Klängen taugte der primitive elektromagnetische Lautsprecher mit feststehender Spule und beweglichem Eisenkern natürlich noch nicht, aber immerhin war ein Anfang gemacht.
27 Jahre sollte es noch dauern, bis die erste Funkausstellung in Berlin im Jahre 1925 mit dem Blatthaller den ersten elektrodynamischen Lautsprecher präsentierte, eine abenteuerliche Konstruktion von gut einem Meter Länge, die ein feststehendes Magnetsystem und einen beweglichen stromdurchflossenen Leiter besaß. Im gleichen Jahr hatten Edward Kellog und Chester Rice von der amerikanischen Firma Western Electric den elektrodynamischen Lautsprecher entwickelt, wie er im Prinzip heute noch in weit über 90 Prozent aller Lautsprecherboxen eingebaut wird. Er besitzt eine bewegliche Schwingspule, die mit einer Konusmembran verbunden ist und sich im Takt des durch sie hindurchfließenden Stroms von dem sie umgebenden Magnetfeld gewissermaßen abstößt. Größtes Problem war in dieser Zeit der äußerst geringe Lautsprecher-Wirkungsgrad, der riesige Hörner zur Schallverstärkung erforderlich machte. Bei der Kinobeschallung, für die diese Hornlautsprecher eingesetzt wurden, waren die enormen Abmessungen aber kein Problem.
Eine andere technische Klippe galt es erst noch zu umschiffen: Dauermagnete mit ausreichender Kraft (magnetischer Induktion bzw. magnetischem Fluss) gab es zu Anfang des 20. Jahrhunderts noch nicht, und deshalb erzeugten damals Elektromagnete das erforderliche Magnetfeld. Der Brite Paul G. A. H. Voigt zählt zu den Pionieren der Lautsprecher mit Permanentmagnet; nachdem er mit seiner 1927 gegründeten Firma Lowther Voigt Ltd. zunächst Schallwandler mit "Energized Magnet" hergestellt hatte, präsentierte er im Jahr 1936 den ersten Prototypen eines Lautsprechers mit "Permanent Magnet". Aber erst die Militärforschung des zweiten Weltkriegs erbrachte leistungsfähige Magnetmaterialien aus Legierungen von Seltenerd-Metallen, die ab 1945 die Lautsprecher mit Feldspule auf breiter Front verdrängten.
Die Ära des modernen Lautsprechers beginnt mit den Arbeiten des Australiers Neville Thiele und des Amerikaners Richard Small, die ab 1951 die Wechselwirkungen zwischen dem Lautsprecher und seinem Gehäuse auf eine theoretisch fundierte Grundlage stellten (TSP-Parameter) und die Voraussetzungen dafür erarbeiteten, dass relativ kleine Lautsprecherboxen heute erstaunlich tiefe Frequenzen abstrahlen können. So verwundert es nicht, dass die Mehrzahl der heute aktiven Lautsprecherhrsteller sich erst in den sechziger und frühen siebziger Jahren gründeten.
(Quelle: Fachzeitschrift der 80er Jahre)
Funktionsprinzipien und Aufbau
Die folgenden elektrischen Effekte sind zur Wandlung von elektrischer Leistung in Schall verwendbar. Die überwiegende Bauform ist dabei der elektrodynamischer Lautsprecher mit zentralem Antrieb.
- Elektrodynamischer Lautsprecher ("Tauchspulen-Lautsprecher"): Die Membran wird durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und einem magnetischen Gleichfeld angetrieben. Üblich sind im wesentlichen zwei Formen:
- (Klassischer) Elektrodynamischer Lautsprecher mit zentralem Antrieb und konus- oder kalottenförmiger Membran.
- Magnetostatischer Lautsprecher ("Magnetostat", "Bändchen"): der Antrieb ist über die gesamte Membran erteilt. Hier ist die Membran - ähnlich der des Elektrostaten - direkt mit Leiterbahnen versehen, das konstante magnetische Gleichfeld wird durch große, auch über die gesamte Fläche verteilte Dauermagneten erzeugt.
- Sonderform: Biegewellenwandler (Manger, Flachlautsprecher mit elektrodynamischer Anregung (Excitern))
- Elektrostatischer Lautsprecher ("Elektrostat"): Zwei parallele gitterförmige Elektroden, die ein statisches elektrisches Feld aufbauen, schließen eine Membran ein. Hochspannung überlagert von einer niederfrequenten Spannung an den Elektroden erzeugt die Antriebskraft.
- Ferroelektrische Lautsprecher ("Piezo" oder "Piezolautsprecher"): Der Antrieb der Membran erfolgt durch ein Ferroelektrika, das bei Anlegen einer Spannung sich mechanisch deformiert.
- Magnetische Lautsprecher, ein überlagertes Gleich- und Wechselfeld ziehen eine ferromagnetisch Membran an. Geringe Qualität, fast ausgestorben.
- Sonderform: Ionen- oder Plasma-Lautsprecher: Ein Schallwandler ohne feste Membran. Hierbei wird die Luft direkt durch modulierte Hochspannung angeregt, was lokale Ionisierung, damit thermische Ausdehnung und damit Schalldruck verursacht.
- Sonderform: Ultraschall-Lautsprecher: Es wird Ultraschall in hohen Pegeln angestrahlt, der durch das nichtlineare Verhalten der Luft hörbaren Schall verursacht. Die Schallabstrahlung lässt sich, da Ultraschall benutzt wird, gut bündeln.
Elektrodynamischer Lautsprecher
Elektrodynamischer Lautsprecher nutzen als Kraftquelle die Lorentzkraft aus. Dazu bedarf es einem möglichst konstanten Statorfeldes, meist durch einen Permanentmagneten gebildet, mit der magnetischen Induktion und einer Leiterschleife der Länge , durch die der elektrische Strom fließt (Achtung: l und I nicht verwechseln!)
Dabei entsteht eine Kraft von
Um die Kraft zu maximieren, muss man die drei Größen , und orthogonal (senkrecht) aufeinander stellen und sie müssen überall die gleiche Orientierung haben. ist eine wichtige Konstante, sie beschreibt das Umsetzungsverhältnis von Strom in Kraft, häufig als bezeichnet.
Eine Form ist der (Klassischer) elektrodynamischer Lautsprecher mit zentraler Schwingspule, andere Formen arbeiten mit dezentralen Antrieben und werden als Magnetostaten bezeichnet.
(Klassischer) Elektrodynamischer Lautsprecher
Eine stromdurchflossene Spule (Schwingspule, engl. Voice coil) befindet sich im magnetischen Gleichfeld eines Permanentmagneten (oder Elektromagneten) (Magnet). Die Spule befindet sich auf einem Schwingspulenträger, der wiederum an der Membran (Cone) befestigt ist. Die Membran besteht aus äußeren Bereichen (fehlen weitgehend bei Kalotten) und inneren Bereichen (häufig als Abdeckkappe/Staubkappe (engl. Dust Cap) bezeichnet, obwohl dieser Bereich essentiell für die Wiedergabe am oberen Frequenzende ist). Spule und Membran können sich im Magnetfeld vorzugsweise in der Richtung senkrecht zur Membran hin- und herbewegen. Eine Zentrierspinne (engl. Spider) und die Sicke (engl. Surround) sind für die Rückführung der Membran in die Ruhelage sowie für die Zentrierung der Schwingspule verantwortlich. Die Sicke verhindert weiterhin einen direkten Luftaustausch zwischen Vorder- und Rückseite. Leitet man einen Wechselstrom durch diese Spule, so wird durch die Lorentzkraft eine Kraft auf die Membran ausgeübt, die diese zum Schwingen veranlasst.
Als "klassische" Chassisform ist dem elektrodynamischer Lautsprecher und der Problematik Thiele-Small-Parameter ein eigener Artikel spendiert.
Magnetostatischer Lautsprecher
Unter Magnetostaten versteht man Lautsprecher, deren Antrieb nicht in Form einer Schwingspule lokal konzentriert ist, sondern auf der ganzen Membran verteilt ist (Folien-Magnetostaten) oder selbst die Membran (klassisches Bändchen) darstellt.
Magnetostatischer Lautsprecher finden vor allem im oberen Frequenzbereich als Hochtöner oder teilweise als Mitteltöner Anwendung (z.B. bei einigen Modellen der Firma Elac), es gibt aber auch schrankgroße Vollbereichsmagnetostaten (Lautsprecher(-box)) bei z.B. Magnepan bzw. Vollbereichsmagnetostaten mit zusätzlichem Subwoofer für die ganz tiefen Frequenzen.
Bändchen-Magnetostaten
Als Membranmaterial findet bei Bändchen meist Aluminium Anwendung. Es hat (abgesehen von einigen Alkali- und Erdalkali-Metallen) die höchste massespezifische elektrische Leitfähigkeit und weist durch die Bildung einer Oxidschicht einen gewissen Eigenschutz vor Umwelteinflüssen auf. Zusätzliche Beschichtungen können trotzdem sinnvoll sein. Entgegen allgemeiner Meinung kommt es bei Bändchen-Magnetostaten zu signifikanten Partialschwingungen, sobald die Wellenlänge des Schalls in Luft kleiner als der halbe Leiterbahnenabstand wird. Für 17 kHz sind daher maximal Abstände von 1 cm zulässig.
Zum Erreichen einer horizontalen Abstrahlung ist das Bändchen vertikal orientiert, dabei ist zum Erreichen einer breiteren Abstrahlung unter gleichzeitiger Reduzierung von Boden- und Deckenreflexionen deutlich höher als breit (Hochtöner 25 mm x 80 mm, Mitteltöner 60 mm x 200 mm) und häufig leicht konvex gekrümmt. Diese Krümmung sowie eine häufig anzutreffende leichte Strukturierung geben der sehr dünnen (ca. 10 µm, Schokoladenpapier ist dagegen schon Blech) und sehr empfindlichen Membran eine gewisse mechanische Stabilität.
Diese Folie wird vertikal von elektrischen Strom durchflossen und befindet sich in einem starken Magnetfeld (Statorfeld) eines Permanentmagneten, dessen Feldlinien horizontal verlaufen. Die resultierende Lorentzkraft bewegt die Membran vor und zurück und führt zur Schallabstrahlung.
Man unterscheidet Eintakt- und Gegentaktaufbau. Beim Eintaktaufbau weist das Statorfeld große Asymmetrien auf, die schon bei mittleren Schwingungsamplituden zu Nichtlinearitäten führen, beim Gegentaktaufbau ist allerdings auch der Frontschall durch den Magneten zu führen, was vor allem bei höheren Frequenzen zu Fehlern im Freuqenzgang führt.
Blick von oben (# Magnetmaterial, N Nordpol, S Südpol, -- Bändchen)
Eintaktaufbau:
#### ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## #### Magnet mit akustischen Durchbrüchen ### ### ####N ------------------------------ S####
Gegentaktaufbau:
#### ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## #### Magnet mit akustischen Durchbrüchen ### ### ####N ------------------------------ S#### ### ### #### ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## #### Magnet mit akustischen Durchbrüchen
Auf Grund der geringen Leiterlänge ist die Impedanz sehr niedrig (0,2 Ohm bis max. 1 Ohm), es sind entweder spezielle High Current-Verstärker oder Transformatoren notwendig. Vergrößerungen der Impedanz sind durch die fehlenden Freiheitsgrade der Topologie (es gibt keine isolierenden Membranteile) sehr begrenzt.
Folien-Magnetostaten
Die Membran ist eine Kunstoffolie, auf der Leiterbahnen aufgebracht sind. Auch hier ist Aluminium üblich. Die Impedanz liegt im normalen Bereich zwischen 4 und 8 Ohm, da mit dieser Technik längere und dünnere Leiterbahnen möglich sind. Es sind deutlich mehr Bauformen als bei Bändchen-Magnetostaten möglich.
Folien sind deutlich robuster als Bändchen, auf denen die Landung einer Stubenfliege schon Schäden verursachen kann. Allerdings gibt es häufig Probleme mit der Dauerhaftigkeit der Verbindung der Leiterbahnen mit der Folie.
JET-Strahler
Blick von oben (# Magnetmaterial, N Nordpol, S Südpol, +-+ Membran, ox Leiterbahnen)
#### ## ## ## ## ## ## ## ####### #### SS SS SS SS SS SS SS SS #### Magnet mit akustischen Durchbrüchen ### +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ ### ### o x o x o x o x o x o x ### gefaltete Membran mit Alu-Mäander NNN--+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +--NNN
4-Pi-Strahler
Rotationssymmetrisch, vertikaler Schnitt durch die Achse (# Magnetmaterial, N Nordpol, S Südpol, +-+ Membran, ox Leiterbahnen)
Symmetrieachse
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N#######################N
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
S#######################S
#########################
Die Folie ist vertikal leicht geriffelt, damit die Membran atmen kann.
Prinzip, welches bei Magnepan verwendet wird (Eintaktaufbau)
NNN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NNN Magnet mit akustischen Durchbrüchen ##-x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o-## Membran mit Alu-Mäander
Das Magnetfeld weist starke Inhomogenitäten auf, schon bei mittleren Membranauslenkungen kommt es zu starken Verzerrungen.
Weitere Möglichkeiten
Gegentaktaufbau:
NNN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NNN Magnet mit akustischen Durchbrüchen ##-x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o-## Membran mit Alu-Mäander NNN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NNN Magnet mit akustischen Durchbrüchen
JET-Gegentaktaufbau:
### S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S ### Magnet mit akustischen Durchbrüchen ### +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-### ### o x o x o x o x o x o x o x o x o x o x o x o ### gefaltete Membran mit Alu-Mäander ###-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ ### ### N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N ### Magnet mit akustischen Durchbrüchen
Elektrostatischer Lautsprecher
Elektrostatischer Lautsprecher nutzen nicht die Lorentzkraft ( ), sondern die elektrostatische Anziehungskraft ( , ). Wie man sieht, ist die Kraft nicht linear zum Strom, sondern quadratisch zur Spannung. Zum Erreichen einer brauchbaren Wiedergabe ist damit eine Vorspannung notwendig. Die Vorspannung führt dazu, dass Eintaktlösungen durch Ruhekräfte instabil sind. Daher sind nur Gegentaktlösungen machbar. Weiterhin weisen Kraft und Feld in die gleiche Richtung, was zu eine einzigen Lösung führt:
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = feste, mechanisch stabile Gitterelektrode 1 ----------------------------------------------- dünne, schwingfähige, elektisch leitfähige Membran = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = feste, mechanisch stabile Gitterelektrode 2
Die Ansteuerung erfolgt folgendermaßen. Die beiden Gitterelektroden werden vorgespannt (z.B. mit +2000 V und --2000 V, meist durch zusätzliches Netzteil erzeugt). Die Tonfrequenzwechselspannung wird an die Membran angelegt und darf sich zwischen diesen beiden Vorspannungen bewegen. Diese hohe Spannung wird entweder durch (hier sehr sinnvolle) Röhrenverstärker erzeugt oder mittels Transformator (z.B. von 20 V auf 1000 V) hochtransformiert.
Die Membran muss weiterhin mechanisch vorgespannt werden, da die Ruhelage labil ist (bei Magnetostaten ist sie indifferent).
Kraft auf die Elektrode in der Ruhelage:
- Vorspannung:
- NF-Spannung:
- Abstand zwischen einer GE und Membran:
- Spannung zwischen GE1 und Membran:
- Spannung zwischen GE2 und Membran:
- Kapazität zwischen einer GE und Membran:
- Kraft zwischen GE1 und Membran:
- Kraft zwischen GE2 und Membran:
- Resultierende Kraft auf die Membran:
Die entstehenden Kräfte sind verglichen mit elektrodynamischen Lautsprechern (in denen bei Vollaussteuerung Werte bis 50 N üblich sind), sehr klein. Werte von 2000 V, 1000 V, 4 mm, 1,5 m 0,4 m = 0,6 m² führen zu gerademal 2,6 N. Wirkungsgrad und Endschalldruck von Elektrostaten (ohne Horn) sind sehr begrenzt.
Trotz Gegentaktansteuerung erzeugen größere Schwingamplituden hörbaren Klirr (die beiden Abstände zu den festen Elektroden sind nicht mehr identisch, damit heben sich quadratische Anteile nicht mehr wie in der Rechnung oben heraus). Das Designproblem ist, dass für größere Schwingamplituden notwendige größere Abstände der Elektroden den Wirkungsgrad drastisch reduzieren. Im Bassbereich kommt als weiteres Problem hinzu, dass es durch Druckausgleich zwischen Vorder- und Rückseite zum Akustischen Kurzschluss kommt, was die Basswiedergabe weiter verringert und die Schwingsamplitude weiter erhöht.
Daher ist dieses Wandlerprinzip für die Basswiedergabe nicht sonderlich geeignet und wird häufig im Bass von zusätzlichen elektodynamischen Wandlern unterstützt.
Flächenstrahler
Elektrostatischer und magnetostatische Lautsprecher werden auf Grund der großen strahlenden Flächen auch als Flächenstrahler bezeichnet. Damit verbundene Eigenschaften
- Bipolare Abstrahlung
- Hohe Bündlungsfaktoren schon bei mittleren Frequenzen
Um den Bündlungsfaktor zu hohen Frequenzen auf noch vertretbare Werte zu begrenzen
- Krümmung der Membranen
- Segmentierung und Ansteuerung nur noch kleiner Teilbereiche bei höheren Frequenzen
Ferroelektrischer Lautsprecher
Ferroelektrische Lautsprecher verwenden den inversen piezoelektrischen Effekt eines Ferroelektrikums, um eine elektrische Spannung in mechanische Schwingungen zu verwandeln. Wenn man eine tonfrequente Spannung an ein geeignetes Ferroelektrikum anlegt, beginnt dieser im Rhythmus der Spannung sich zu verformen. Diese Verformungen des Ferroelektrikum werden auf eine Membran übertragen. Diese schwingende Membran strahlt (direkt oder über ein Horn) Schallwellen ab.
Ferroelektrische Lautsprecher stellen für den Verstärker eine weitgehend kapazitive Last dar (deswegen wird die Belastbarkeit nicht, wie bei anderen Lautsprechern in Watt, sondern in Volt angegeben), die durch Masse und Elastizität des Ferroelektrikums sich ergebende Resonanzfrequenz begrenzt das Arbeitsbereich nach unten. Daher haben Ferroelektrische Lautsprecher eine eingebaute 6 dB-Weiche und man kann sie ohne Frequenzweiche betreiben. Zusätzliche Weichen erhöhen aber auch hier die Belastbarkeit.
Typische Ferroelektrische Lautsprecher haben Resonanzfrequenzen im Bereich zwischen 1 und 5 kHz, für Ultraschallanwendungen auch bis 50 kHz. Auf Grund dieser Tatsache kann diese Lautsprecherart nur für den Mittel-Hochtonbereich (1 kHz 100 kHz) verwendet werden.
Aug Grund zahlreicher Resonanzmoden von Ferroelektrische Lautsprecher und geringer innerer Dämpfung dieser sind sie für Hifi-Anwendungen ungeeignet.
Betreffs maximaler Belastbarkeit gibt es 3 begrenzende Faktoren:
- Spannungsfestigkeit: ... Bei gängigen piezoelektrischen Lautsprechern beträgt die Belastbarkeit ungefähr 25 Volt.
- Temperaturerhöhung: ...
- mechanische Zerstörung: ...
Magnetischer Lautsprecher
Magnetische Lautsprecher wurden häufig in der Anfangszeit der Audiotechnik verwendet, sind aber heutzutage fast ausgestorben. Ein überlagertes Gleichfeld und das NF-Wechselfeld treibt eine ferromagnetische Membran an.
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oo###xx xx###oo Dauermagnet mit Spule
oo###xx xx###oo
ooNNNxx xxSSSoo
-------------------------------------- ferromagnetische Membran
Die Nachteile dieser Konstruktion sind:
- hoher Klirr, da Kraft zum einen abstandsabhängig und zum anderen nicht exakt linear vom Strom abhängig.
- ungeeignetes, schweres, resonantes Membranmaterial notwendig, welches zu blechernem Klang führt
- Auch im Ruhezustand wird eine Kraft ausgeübt, daher ist muss die Membran schwer und steif sein, was zu schlechter Tiefton (hohe Resonanzfrequenz) und Hochtonwiedergabe (schwere membran) führt.
Dieses Prinzip wird noch bei magnetischen Mikrofonen (auch ausgestorben) und magnetischen Kopfhörern (auch ausgestorben) verwendet. Moving Iron-Schallplattenabtastern (MI) werden dagegen noch verwendet.
Ultraschall-Lautsprecher
Ultraschallautsprecher zur Abstrahlung von hörbarem Schall:
Siehe:
- http://www1.production-partner.de/news/0003/3001s28.htm
- http://www.sennheiser.com/sennheiser/icm.nsf/root/press_archiv_2_2001_aesconvention110_1
- http://www.totalitaer.de/Rfhoeren/stimmenultraschall.htm
Für Ultraschallautsprecher zur Abstrahlung von unhörbarem Schall siehe hier.
Lautsprechergehäuse zur Optimierung der rückwärtige Schallabstrahlung
Lautsprecher-Chassis oder Treiber werden zum Bau einer Lautsprecher-Box in ein Gehäuse eingebaut und mit Weichen und ggf. Verstärkern versehen. Das Lautsprechergehäuse hat dabei im wesentliche 3 Funktionen:
- Aufstellung: Die Chassis werden durch das Aufstellen der Lautsprecherbox in eine geeignete Lage gebracht. Das betrifft Abstrahlwinkel wie auch Abstände zum Boden. Bei Nicht-Standlautsprechern (das können auch große Regielautsprecher sein) gehört zu einer optimalen Aufstellung noch der Lautsprecherständer oder die Wandbefestigung.
- Schallführung des rückwärtigen Schalls: Um Frequenzen wiederzugeben, deren Wellenlänge größer als der Membrandurchmesser ist, ist es notwendig, den Luftaustausch zwischen Vorder- und Rückseite (sog. akustischer Kurzschluss) zu behindern oder über Resonatoren geeignet zu gestalten. Dieser Punkt wird unter Lautsprechergehäuse (1) behandelt.
- Schallführung des Schalls der Vorderseite: Die unmittelbare Umgebung eines Chassis ist entscheidend für den Frequenzgang und die Richtung der Schallabstrahlung. Dieser Punkt wird unter Lautsprechergehäuse (2) behandelt.
(Offene) Schallwand
Um den Druckausgleich zwischen Vorderseite und Rückseite zu unterbinden, wäre es am besten, das Chassis in eine unendliche Schallwand einbauen. Dieser Konstrukt wird wie der Einbau in eine unendlich große Box für theoretische Betrachtungen verwendet (z.B. Resonanzfrequenz auf unendlicher Schallwand). In der Praxis muss man sich mit endlichen Schallwänden begnügen.
Endliche Schallwände unterbinden den akustischen Kurzschluss nur teilweise. Ab einer gewissen Grenzfrequenz kommt es vermehrt zum Druckausgleich zwischen Vorder- und Rückseite, der zu einem Abfall von 6 dB/oct führt. Zusammen mit dem Verhalten unterhalb der Resonanzfrequenz von 12 dB/oct führt dies zu einem asymptodischen Verhalten von 18 dB/oct am unteren Ende des Übertragungsbereichs.
Endliche Schallwände sind üblich in Wiedergabegeräten mit eingebauten Lautsprechern, z.B.
- Röhrenradios ("Dampfradio")
- Mono-Transistorradios
- tragbare Wiedergabegeräte mit Lautsprecher
- Fernsehgeräte mit Bildröhre
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Gefaltet lassen sich die Abmessungen deutlich reduzieren, allerdings werden diese Konstruktionen für Hohlraumresonanzen empfindlicher und müssen ggf. akustisch bedämpft werden.
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Asymptodisches Verhalten:
- 6 dB/oct ab Eintreten des Akustischen Kurzschlusses, 12 dB/oct unterhalb der Resonanzfrequenz, 18 dB/oct, wenn beide Kriterien erfüllt sind.
Vorteile:
- ...
Nachteile:
- ...
Sinnvolle Abstimmung:
- Bei Aktivboxen:
- ...
- Bei Passivboxen:
- ...
Geschlossenes Gehäuse
Das Chassis wird in ein (weitgehend) luftdicht abgeschlossenes Gehäuse eingebaut. Bei gegenüber Schallwänden moderater Größe wird dadurch der akustische Kurzschluss zuverlässig unterbunden. Allerdings bekommt das Chassis durch die Federwirkung des abgeschlossenen Hohlraums eine weitere Komponente hinzu, die die Resonanzfrequenz und die Resonanzgüte erhöht.
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Der Innenraum muss zur Verringerung von Stehenden Wellen bedämpft werden, ideal ist eine reichliche Bedämpfung mit wärmespeichernden Material, welches die weitgehend adiabatische Kompression in eine weitgehend isotherme Kompression umwandelt. In Luft bedeutet das eine effektive Erhöhung des Innenvolumens um den Faktor 1,4.
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Asymptodisches Verhalten:
- 12 dB/oct unterhalb der Resonanzfrequenz
Vorteile:
- Einfacher Aufbau
- Einfach abzustimmen
- Wiedergabe von tiefsten Frequenzen, wenn auch mit verringerter Amplitude möglich
- Keine Strömungsgeräusche
- Kleine, aktiv entzerrte Boxen möglich
Nachteile:
- Gegenüber einem Bassreflexsystem gibt es keine Oktave, in der die Membranauslenkungen wirkungsvoll durch einen Resonantor verringert werden, die Auslenkung steigt gnadenlos mit 12 dB/oct an.
- Zeitiger Abfall des Freifeld-Amplitudenfrequenzgangs bei Chassis mit starkem Antrieb .
Sinnvolle Abstimmung:
- Bei Aktivboxen:
- Üblicherweise stimmt man das System so ab, dass die thermische und mechanische Belastbarkeit im Tieftonbereich gleichzeitig eintreten. Chassis mit kleinem Qts führen zu sehr kompakten Lautsprechern.
- Bei Passivboxen:
- Üblicherweise stimmt man auf maximale Linearität des Frequenzgangs ab, d.h. man verringert das Volumen soweit, bis man ein Qts von 0,707 (0,6...1,0) erreicht.
Lautsprecher mit kleinem Qts führen auch hier zu kompakten Lautsprechern, allerdings mit zeitig abfallendem Bassfrequenzgang.
Einfach ventiliertes Bassreflex-Gehäuse
Ein einfach ventiliertes Bassreflex-Gehäuse: Das Volumen des Gehäuses ist über einen Kanal an die Umgebung angekoppelt. Es entsteht ein sog. Helmholtz-Resonator, der den Wirkungsgrad im Bereich seiner Eigenresonanz (auch Tuningfrequenz) erhöht, bei Frequenzen deutlich darunter jedoch zu dem akustischem Kurzschluss und damit Pegelverlust führt.
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Asymptodisches Verhalten:
- 12 dB/oct unterhalb der Resonanzfrequenz, 12 dB/oct unterhalb der Tunnelresonanzfrequenz, 24 dB/oct, wenn beides zutrifft.
Vorteile:
- Deutlich höherer Schallpegel (bis zu 13,5 dB) im Bereich der untersten Oktave möglich, bzw.
- Erweiterung der Leistungsbandbreite um 1,1 Oktaven (Faktor 2,2)
- Kräftigere Basswiedergabe bei Chassis mit stärkeren Antrieben, deren Frequenzgang sonst durch Gegeninduktion frühzeitig absinkt.
Nachteile:
- Größere Gruppenlaufzeit
- Steilere Verlauf der Übertragungsfunktion unterhalb der unteren Grenzfrequenz
- Wenn das Chassis Frequenzen überträgt, deren Wellenlänge im Bereich der Tunnels liegt, kommt es zu Tunnelresonanzen. Dieses Problem tritt bei praktisch allen Tiefmitteltöner auf.
- Bei unzureichender Dimensionierung des Tunnels kommt es zu störenden Strömungsgeräuschen.
Sinnvolle Abstimmung:
- Bei Aktivboxen:
- ...
- Bei Passivboxen:
- ...
Bandpass-Gehäuse
Ein Bandpass-Gehäuse
Bandpassgehäuse sind nur zur Übertragung schmaler Frequenzbereiche (max. 1 Oktave) sinnvoll einsetzbar.
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Asymptodisches Verhalten:
- 12 dB/oct unterhalb und oberhalb der Resonanzfrequenz
Vorteile:
- ...
Nachteile:
- ...
Sinnvolle Abstimmung:
- Bei Aktivboxen:
- ...
- Bei Passivboxen:
- ...
Doppelt ventiliertes Bassreflex-Gehäuse
Ein doppelt ventiliertes Bassreflex-Gehäuse ...
Bandpassgehäuse sind nur zur Übertragung schmaler Frequenzbereiche (max. 1 1/2 Oktaven) sinnvoll einsetzbar.
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Asymptodisches Verhalten:
- 12 dB/oct unterhalb der Resonanzfrequenz, 12 dB/oct unterhalb der Tunnelresonanzfrequenz, 24 dB/oct, wenn beides zutrifft. Nach oben hin 12 dB/oct Abfall.
Vorteile:
- ...
Nachteile:
- ...
Sinnvolle Abstimmung:
- Bei Aktivboxen:
- ...
- Bei Passivboxen:
- ...
Siehe http://www.danmarx.org/audioinnovation/theories.html
Mehrkammer-Bandpassgehäuse
Es sind auch wesentlich komplizierte Systeme möglich, deren bekannteste Vertreter die Mehrkammer-Bandpass-Systeme sind.
Deren generelles Problem ist die hohe Gruppenlaufzeit (der Schall benötigt einige Zeit, um aus dem Labyrinth herauszufinden), die weiterhin noch eine meist sehr problematischer Frequenz-Verlauf hat. Ähnlich wie schon bei den Bandpass-Systemen sind höhere Wirkungsgrade auf Kosten einer schlechten Impulswiedergabe möglich. Häufig wird mit mehreren Chassis gearbeitet. Die Firma Bose stellt solche Systeme her und hat damit größere Erfahrungen.
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Subsonic-Filter
Es ist sinnvoll, auch die Baßchassis mit einem Bandpaß statt mit einem Tiefpaß zu versehen. Frequenzen unterhalb des Übertragungsbereiches führen sonst zu erheblichen mechanischen Belastungen des Chassis, da ...
Passive Subsonic-Filter:
- Meist Hochpässe 1., seltener 2. Ordnung. Die notwendigen Größen (200...500 µF, 20...50 mH) sind meist kostspielig. Verwenden nur wenige Hersteller. Baßentzerrung ist nur in geringem Maße möglich, verbunden ist er mit einer Reduzierung der Impedanz im Wirkungsbereich (Serienschwingkreis). Weiteres Problem ist Temperaturempfindlichkeit der Abstimmung durch Rückwirkungen der TSP-Parameter auf den Filter.
Aktive Subsonic-Filter:
- In Aktivlautsprechern sind Subsonic-Filter üblich. Der Aufwand ist gering, meist wird eine Baßentzerrung integriert.
Vorteile;
- Die Lautsprecher werden belastbarer
- Geringere Verzerrungen, vor allem bei Anwesenheit von tieffrequenten Störungen (Schallplatte)
- statische oder dynamische Baßentzerrung möglich
- Geringere Gruppenlaufzeit oberhalb des Übergangsbereich.
Nachteile:
- zusätzlicher Aufwand
- Anstieg der Gruppenlaufzeit im Übergangsbereich (bei analogen Filtern)
- Steilerer Abfall des Amplitudenfrequenzganges, völliges Fehlen von Tiefbaß bei Kompaktboxen
Siehe auch Frequenzweichen.
Sonderform: Transmissionline-Gehäuse
Transmissionline-Gehäuse: Das rückwärtig abgestrahlte Schallenergie wird über eine Verzögerungsleitung an die Umgebung abgegeben. Diese Verzögerungsleitung wird durch ein Labyrinth im Inneren des Gehäuses erreicht. Dämpfung und Formgebung bewirken, dass nur tieffrequente Signale die Verzögerungsleitungs passieren können, außerdem verringern sie die Schalleitungsgeschwindigkeit. Optimal ist eine Verzögerung von 0,4/f bis 0,6/f an der unteren Grenzfrequenz. Gehäuse sind aufwendig und schwer abzustimmen. Obwohl Bassreflex-Gehäuse effektiver sind und einfacher zu konstruieren sind, bevorzugen manche (vor allem englische) Konstrukteure und Musikliebhaber diese Konstruktion. Trotz oberflächlicher Ähnlichkeiten zu Hornkonstruktionen haben TMLs keine Gemeinsamkeiten mit diesen.
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Passivmembranen
Als Masse-Elemente für Helmholtzresonatoren kommen neben ventilierten Rohren auch Passivmembranen in Frage. Bei ihnen ist es wesentlich einfacher, für tiefe Abstimmungen notwendige Massen zu erreichen.
Vorteile gegenüber Tunneln:
- Es gibt keine Strömungsgeräusche.
- Es gibt keine Eigenresonanzen, die bei üblichen Längen im Grundton bis Mitteltonbereich liegen.
- Geringe Bautiefe ist möglich.
- Sehr tiefe Abstimmungen ist möglich.
Nachteile gegenüber Tunneln:
- Höhere Kosten, insbesondere gibt es kaum geeignete Passivmembranen auf dem Markt
- Für eine effektive Funktion muss die Passivmembran ein wesentlich größeres Verschiebevolumen als die aktiv angetriebene Membran haben. Ein Faktor von 3 ist anzustreben
- Übertragungsfunktion ist komplizierter als bei einer ventilierten Röhre. Es tritt eine weitere Nullstelle bei der Eigenfrequenz des Chassis auf.
- Gruppenlaufzeit und Impulsantwort sind schlechter als bei bei einer ventilierten Röhre.
Verwendung mehrerer Chassis für ein Frequenzbereich
Häufig werden für ein und dasselbe Frequenzbereich mehrere Chassis verwendet. Dies kann aus mehreren Gründen geschehen:
- Es erhöht die Belastbarkeit, weil sich sowohl elektrische wie mechanische Belastung (gilt nicht bei akustischer Reihenschaltung) reduziert
- Bei Reihenschaltung reduziert sich Vas, was für eine Reduktion des Boxenvolumens hilfreich ist. Gleichzeitig sinkt allerdings der Wirkungsgrad.
- Bei Parallelschaltung erhöht sich für tiefe Frequenzen der Wirkungsgrad
- Antiparallel/Antireihenschaltung: Gerade Klirrkomponenten werden reduziert.
- Durch geschickte Ansteuerung lässt sich die Abstrahlcharakteristik besser modellieren (Lautsprecher-Zeile, Unterdrückung rückwärtigen Schalls)
Parallelschaltung mit gemeinsamer Kammer / Antiparallelschaltung mit getrennten Kammern:
+-------------+ +-----------+ | | | | | ## / | ## / | ##< | ##< | ## \ | ## \ | | |___________| | | | | | ## / | \ ## | ##< | >## | ## \ | / ## | | | | +-------------+ +-----------+
Beachte: Für Antiparallelschaltung sind getrennte Kammern sinnvoll, sie reduzieren Großsignalarbeitspunktverschiebungen.
Reihenschaltung / Antireihenschaltung:
+---------------+ +---------------+ | | | | | +-----+ | +--+ | | | | | | | ## / ## / | ## / \ ## | ##< ##< | ##< >## | ## \ ## \ | ## \ / ## | | | | | | | +-----+ | +--+ | | | | +---------------+ +---------------+
Strahlerzeile:
+-------------+ | | | ## / | ##< | ## \ | | | ## / | ##< | ## \ | | ---> Hauptstrahlrichtung | ## / | ##< | ## \ | | | ## / | ##< | ## \ | | +-------------+
In Strahlerzeilen werden alle Chassis gleichphasig angesteuert, die sich daraus ergebende Strahlungskeule ist genauso breit wie die eines Einzelchassis, aber vertikal gestaucht. Mögliche Modifikationen:
- Verzögerung der inneren Chassis: Der ideale Abhörentfernung (alle Chassis phasengleich) wandert aus dem unendlichen auf eine endliche Entfernung. Für eine 1,6 m hohe Zeile und 8 m Abhörabstand sind die notwendige Verzögerung 117 µs.
- Abkoppeln der äußeren Chassis bei höheren Frequenzen: Normalerweise wird die Keule zu hohen Frequenzen hin immer niedriger, da die Größe relativ zur Wellenlänge steigt. Durch gezieltes Abkoppeln (bis hin zu 1 Chassis) kann man diesen Effekt reduzieren oder eliminieren.
Mit der Welle mitlaufender Strahler:
+------- --------- -------+ | \ / \ / | | \_/ \_/ | \ ## ### ### ## / >## ### ### ##< ---> Hauptstrahlrichtung / ## ## \ | | | | +--------------------------------+
Eine weiterhin rotationssymmetrische Abstrahlung mit Dämpfung von rückwärtigen und seitlichen Anteilen erhält man durch eine Lautsprecherzeile, die durch eine "Wanderwelle" in Hörerrichtung angesteuert wird.
Sonderform: Hornlautsprecher
Von Hornlautsprechern im Sinn von Lautsprecher-Box spricht man, wenn alle Frequenzbereiche (auch der Bassbereich) lange Hörner benutzen. Je nach Tiefgang der Basswiedergabe sind solche Hörner groß bis riesig.
Man unterscheidet zwischen front-loaded und back-loaded (Lowther) Hörnern. Front-loaded Hörner arbeiten mit der Rückseite auf einer Druckkammer, die Vorderseite ist an ein Horn angekoppelt. Back-loaded Hörner, nach dem Erfinder auch Lowther-Hörner genannt, strahlen den Frontschall direkt oder über einen (kurzen) Waveguide ab, die Rückseite ist an ein langes Horn angekoppelt, welches die Basswiedergabe übernimmt.
Beispiel für ein Horn mit rückwärtiger Kammer und Druckkammer
Druck- rückwärtige
Kammer Kammer
_______________________________
| / \ / \ / | |
| / V , V | \ ## |
|/ | | | | >## |
| , | | | | / ## |
| | | | | |__|_____|
| | | | | | /
| | | | | | /
| | | | | | /
| | | | | /
| | | |\___/ /
| | | | /
| | | | /
| | | | _/
| | | | _/
| | |_/
| \ _/ Hornmund
| \______/
|
\
|\
| \_
| \_
|_____\___________________________
Beispiel für ein direktstrahlendes Lowther-Horn:
____________________________ | / \ / \ / :::| | / V , V | ## / direkt- |/ | | | | ##< strahlendes | , | | | | ## \ Chassis | | | | | |::::| | | | | | |:::/ | | | | | |::/ | | | | | |:/ | | | | |/ | | | |\___/ | | | | / | | | | / | | | | / | | | |/ | | / Hornmund | \ / | \______/ | \ |\ | \_ | \_ |_____\_________________________
Vorteile:
- Hoher bis sehr hoher Wirkungsgrad
- Hohe Endschallpegel erreichbar
- Geringe Membranhübe der Treiber auch im Bassbereich
- Hoher und konstanter Richtfaktor bis ins untere Grundtonbereich erreichbar
Nachteile:
- Die Größe des Hornmundes muss im Bereich der minimal abzustrahlenden Wellenlänge liegen, unterhalb dieser Frequenz verliert das Horn an Wirkungsgrad, die Bedämpfung des Treibers durch die Luftlast bricht zusammen. Daher sind für übliche untere Grenzfrequenzen (40 Hz...80 Hz) Hörner riesig. Man kann die Größe deutlich reduzieren, wenn man Hörner in Zimmerecken oder Zimmerkanten einlässt. Sie sind dann aber immer noch groß.
- Es sollte auf Grund der unterhalb des Übertragungsbereichs verschwindenden Luftlast ein steiles Hochpassfilter zum Schutz des Chassis verwendet werden.
- Die Schallwelle, die über das Horn abgestrahlt wird, hat beträchtliche Signallaufzeiten
- Unstetigkeiten im Horndurchmesser (über die Länge) führen zu Welligkeiten im Amplitudenfrequenzgang, bei kompakten, gefalteten Hörnern lassen diese sich aber geometrisch kaum vermeiden.
Bei (projektiertem) Festeinbau in große Räume (Lichtfilmtheater, Konzertsäle) spielt die Größe keinen großen Faktor mehr.
Lautsprecherfront zur Optimierung der Front-Schallabstrahlung
Die Gestaltung der Lautsprecherfront, d.h. die Form des Frontpanels wie die Lage der Grenzenflächen (Kanten) des Gehäuses wirken sich, wenn sie nicht wesentlich größer als die Wellenlänge sind, entscheidend auf den Direktfrequenzgang und die Richtcharakteristik aus.
Dieser Fakt wird meistens vergessen, obwohl der genauso wichtig ist wie Chassiswahl und Abstimmung des Gehäuses.
Flache Schallwand / 2 pi-Strahler / 4 pi-Strahler
Chassis können auf einer flchen Schallwand montiert sein. Sie sollten dabei eingelassen sein, weil Reflexionen an Kanten zu zusätzlichen Reflexionen und damit Welligkeiten des Frequenzganges führen. Ist die Schallwand wesentlich kleiner als die Wellenlänge (was z.B. meist im Bassbereich der Fall ist), wird die Schallenergie in einen Raumwinkel von abgestrahlt, d.h. in den Vollraum. Ist die Schallwand wesentlich größer als die Wellenlänge (was z.B. meist im Hochtonbereich der Fall ist), wird die Schallenergie in einen Raumwinkel von abgestrahlt, d.h. in den Halbraum. Der Schallpegel erhöht sich dabei um 6 dB (kohärentes Überlagen der Schallquelle und der gespiegelten Phantomschallquelle), die Schalleistung aber nur um 3 dB.
Der Übergang zwischen diesen beiden verhaltensweisen wird als Baffle-Step bezeichnet, für einen linearen Direktschallfrequenzgang muss er entzerrt werden, indem dem Chassis für tiefere Frequenzen 6 dB mehr Energie zugeführt wird. Die ins Diffusfeld abgegeben Strahlungsenrgie steigt dabei um 3 dB.
- Montage auf einer kleinen Schallwand: Bei Montage eines Chassis auf einer kleinen Schallwand, die nicht wesentlich größer als die Wellenlänge ist, erhält man einen sogenannten 4-pi-Strahler. Übliche Lautsprecher arbeiten im Tief- und Grundtonbereich in dieser Betriebsart.
- Montage auf Schallwand: Bei Montage eines Chassis auf einer großen Schallwand erhält man einen 2-pi-Strahler. Schalldruck steigt um 6 dB, abgestrahlte Schalleistung um immerhin noch 3 dB.
Wandeinbau
Die Schwankungen der Directivity im Baß (2 pi), Grundton (4 pi) und Mittenbereich (2 pi) kann man durch wandnahe Aufstellung, Aufbau an der Wand oder Wandeinbau eliminieren. In diesem Fall ist in jedem Frequenzbereich der Lautsprecher (maximal) ein 2-pi-Strahler, d.h. einen Richtfaktor von 3 dB. Allerdings muß dann die Box auf diese Aufstellung abgestimmt sein. Bei Aktiv-Monitoren ist dazu meist ein Baß-EQ vorhanden (nicht zu verwechseln mit Baß-Roll-Off).
Wave-Guide / flaches Horn
- Wave-Guide: Auch kurzes Horn genannt. Gegenüber einem 2-pi-Strahler wird die Schallabstrahlung in eine flache Mulde gelegt. Das erhöht den Wirkungsgrad, weiterhin kann bei geeigneter Formgebung eine kostante Bündung im Arbeitsbereich erzieht werden.
Klassischen (langes) Horn
- Klassische Horn-Lautsprecher: Der Lautsprecher wird über ein langes Horn an die Umgebung angekoppelt. Mit einem Horn-Lautsprecher können sehr hohe Wirkungsgrade von >100 dB (1 W, 1 m) erreicht werden. Hornlautsprecher sind bei richtiger Dimensionierung zudem in der Lage eine über die Frequenz konstante Richtwirkung zu generieren, da sie entlang des Hornverlaufes, vom Hornhals bis zum Hornmund, der Wellenfront alle Membrandurchmesser zur Verfügung stellen. Für Beispiele siehe hier.
Mehrwegesysteme
Sinn von Mehrwegesystemen
Für tiefere Frequenzen ist der maximale Schallpegel eines Lautsprecher-Chassis abhängig vom maximalen Verschiebevolumen (Hubraum) und damit von der Membranfläche. Im Tieftonbereich sind daher große Membranen notwendig, wenn man sinnvolle Schallpegel erreichen möchte. Diese sind jedoch aus folgenden Gründen ungeeignet zur Wiedergabe hoher Frequenzen:
- Hohe Frequenzen (kurze Wellenlängen) werden mit im Allgemeinen ungewünschter Direktivität wiedergegeben
- Wellenlängen kleiner als der Durchmesser können die Membran zu Partialschwingungen anregen
- Hohe tieffrequente Signale intermodulieren auch hochfrequente Anteile, was dann hörbar ist
Um das hörbare Spektrum abzudecken, werden üblicherweise in einer Lautsprecher-Box mehrere Lautsprecher-Chassis mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen eingesetzt.
Üblich sind 2-Wege-Systeme bis 4-Wege-Systeme. Die Anzahl der Wege ist dabei nicht identisch mit der Anzahl der eingesetzten Chassis. Manche Hersteller (z.B. Thiel) zählen bei "Wegen" auch Wege mit gemeinsamen Antrieb, die in unterschiedlichen Frequenzbereichen verschiedene Membranbereiche antreiben. Da dies aber im Grunde bei allen Chassis auftritt (eigentlich bei allen aktuellen Tiefmitteltönern) schafft diese Zählweise nur Verwirrung und sollte vermieden werden.
Chassisformen für unterschiedliche Frequenzbereiche
Konstruktionsmerkmale und Auswirkungen:
- Membrandurchmesser:
- Membranform/Membranmaterial:
- Schwingspulenüber-/unterhang, maximale Auslenkung:
- Schwingspulendurchmesser:
- Membranmasse:
Übliche Bauformen
- Kalottenlautsprecher mit 0,5" (13 mm) bis 3" (76 mm) für die Wiedergabe von Hochton und Mittelton
- Konuslautsprecher mit 5 cm bis 60 cm für die Wiedergabe von Hochton bis tiefsten Frequenzen
- Magnetostaten mit 2 cm bis 8 cm Größe für die Wiedergabe von Hoch- und Mittelton
Siehe auch Elektrodynamischer Lautsprecher.
Reduzierung der wirksamen Membranfläche
Entgegen üblicher Meinung tritt dieser Effekt nicht nur bei Breitbändern, sondern auch bei größeren Konus-Mitteltönern und Konus-Tiefmitteltönern massiv auf. Er ist zur Partialschwingungsdämpfung und Reduzierung der Directivität im oberen Arbeitsbereich notwendig. Konstruktiv erfolgt dies durch Verwendung von unterschiedlichen Materialien und unterschiedlichen Krümmungen im Innen- und Außenbereich der Membran.
1-Wege-System / Breitbandlautsprecher / Vollbereichslautsprecher
versuchen den gesamten Audio-Frequenzbereich durch ein einziges Chassis abzudecken. Schon die Konstruktion eines hochwertigen 2-Wege-Systems ist kompliziert, ein 1-Wege-System erhöht noch mal die Probleme. Hauptproblem ist dabei die Wiedergabe von hohen Frequenzen, vor allem die starke Bündlung, die sich auch bei aufwendigen Konstruktionen nicht vermeiden lässt. Intermodulation und Dopplereffekt werden zwar auch immer genannt, sind aber kaum kritischer als bei 2-Wege-Konstruktionen, da das Ohr im Bereich 1 bis 3 kHz am empfindlichsten auf diese Verzerrungen reagiert.
2-Wege-System
Üblich ist eine 19 bis 28 mm-Hochtonkalotte und ein 12 bis 22 cm-Konus-Tiefmitteltöner. Übliche Trennfrequenzen zwischen beiden Chassis liegen bei 2 bis 3 kHz, es gibt kaum Freiheitsgrade bei der Festlegeung der Trennfrequenz. Der Tiefmitteltöner wird bis zur maximal möglichen oberen und der Hochtöner bis zur minimal möglichen unteren Grenzfrequenz ausgereizt. Bassreflexkonstruktionen verringern üblicherweise die Intermodulation von tieffrequenten Signalen im Mitteltonbereich.
2 1/2-Wegesystem
Erweiterung eines 2-Wegesystems um einen weiteren Tieftöner, der häufig baugleich zum eingesetzten Tiefmitteltöner ist, aber meist schon im Grundtonbereich abgekoppelt wird.
3-Wege-System
Bei Aufteilung in 3-Wege entstehen im Gegensatz zu 2-Wege-Systemen durch die nun kleineren Arbeitsbereiche viele Freiheitsgrade. Konstruktionen sind mit Hochton-Kalotte (z.B. 19 mm), Mittelton-Kalotte (z.B. 55 mm) und Konustieftöner (z.B. 25 cm) bis hin zu Hochton-Kalotte (z.B. 25 mm), Konus-Tiefmitteltöner (z.B. 18 cm) und Konustieftöner (z.B. 25 cm) und damit verbunden unterschiedlichen Trennfrequenzen möglich. Erster Aufbau ist als klassisches 3-Wege-System, zweiterer Aufbau als 2-Wege-System mit integriertem Subwoofer zu verstehen.
Vielwege-Systeme
Konstruktionen mit noch mehr Chassis entziehen sich einer genauen Klassifizierung. Die große Anzahl von Freiheitsgraden und Freiheiten beim Design durch die vergleichsweise geringen Arbeitsbereiche lassen unzählige Konstruktionen möglich, die sich mit Vielwege-System nicht mehr beschreiben lassen.
Frequenzweichen
Funktion von Frequenzweichen
Frequenzweichen haben zwei wesentliche Funktionen:
- Aufteilen des Eingangssignals auf die einzelnen Wege
- Frequenzganglinearisierung / Pegelanpassung der einzelnen Chassis
Weiter kommen noch folgende optionale Funktionen dazu:
- Überlastschutz (aktive durch Limiter oder passiv durch PTCs)
- Impedanzlinearisierung
Bei Passivweichen sind die Möglichkeiten besonders betreffs Frequenzganglinearisierung beschränkt, es sind keine Anhebungen von Amplituden möglich, wie man sie z.B. am vor allem unteren Ende des Frequenzganges es sich wünschen würde.
Es sind allerdings auch Mischsysteme möglich, in denen die Aufteilen des Eingangssignals auf die einzelnen Wege passiv, die Frequenzganglinearisierung aber teilweise oder vollständig durch eine zwischen Vor- und Endverstärker geschaltete Baugruppe geschieht.
Entgegen landläufiger Meinung ist eine Frequenzweiche etwas sehr individuell an ein Chassis-Set angepasstes System, ein Chassis-Austausch erfordert so gut wie immer eine vollständige Neuanpassung der Weiche.
Die Weiche bestimmt sowohl Direktschallfrequenzgang wie auch das Abstrahlverhalten und damit den Diffusfrequenzgang.
Zu Subsonicfiltern siehe hier.
Ausführungsformen
Frequenzweichen können unterschiedlich aufgebaut sein:
- analog passiv
- analog aktiv
- digital aktiv
Es sind auch Mischformen möglich, wie z.B.
- Verlegen der Entzerrfunktion einer Passivweiche in eine zusätzliche (mit Kleinsignalen arbeitende) Baugruppe, die
- entweder in den Signalweg einzuschleifen ist (Tape Monitor-Schleife oder Pre-Out/Main-In)
- oder fest im Verstärker integriert ist (Kompaktanlagen, Designanlagen)
- analoger Passivweiche für die Auftrennung des Signals auf das Mittel- und Hochtonbereich, aber (elektronischer) Aktivweiche für die Ansteuerung des Tieftöners.
Beispiel für einfachen 3-Wege-Hybrid-Lautsprecher mit Weiche 2. Ordnung:
+-------||--------+
| |
__ | __ |\ | |\
----+-----------------+-----|__|--+--|__|--+---| >--+--|+ \
| _|_ | |/ | >----+
| ___ _|_ |- / __|__/| Konus-
_|_ | --- |/ | | | Tief-
___ <_ | |___| | töner
| _> _|_ | \|
| <_ _|_
| |
+----+ +----+----+
| | | | |
<_ __|__ _|_ <_ __|__
_> | |\ Hoch- ___ _> | |\ Mittel-
<_ |___|/ töner | <_ |___|/ töner
| | | | |
----+----+------------+----+----+
Passivweiche
Passivweichen werden nach dem Leistungsverstärker eingesetzt, und haben damit folgende Restriktionen:
- Es kann nur gedämpft werden, jede Begradigung des Frequenzganges kostet Wirkungsgrad. Je nach Weiche werden 50% bis 85% der zugeführten elektrischen Energie schon in der Weiche in Wärme umgewandelt.
- Es ist damit auch keine Bassentzerrung möglich, wie sie bei aktiven Weichen üblich ist.
- neben dem Einsatz von Kondensatoren und Widerständen sind aufwendige Spulen notwendig.
- Erhebliche Belastung durch Ströme und Spannungen, so ergeben sich vor allem für richtig dimensionierte Spulen erhebliche Größen.
- Umschalten zwischen verschiedenen Abstimmungen (z.B. für Raumentzerrung) aufwendig und daher meist nicht vorhanden.
Beispiel für einfachen 2-Wege-Passiv-Lautsprecher mit Parallelweiche 2. Ordnung:
------------+-----------------------------+
| |
<_ _|_
_> ___
<_ |
| |
+-------+ +-------+
| | | |
_|_ __|__/| <_ __|__
___ | | | Tiefmittel- _> | |\ Kalotten-
| |___| | töner <_ |___|/ hochtöner
| | \| | |
------------+-------+---------------------+-------+
Beispiel für einfachen 2-Wege-Passiv-Lautsprecher mit Seriellweiche 2. Ordnung:
------------+-------+
| _|_
| ___
<_ |
_> __|__
<_ | |\ Kalotten-
| |___|/ hochtöner
| |
+-------+
| __|__/|
| | | | Tiefmittel-
| |___| | töner
_|_ | \|
___ <_
| _>
| <_
| |
------------+-------+
(Elektronische) Aktivweiche
(Elektronische) Aktivweichen werden vor dem Leistungsverstärker eingesetzt. Das birgt folgende Unterschiede zur Passivweiche:
- Für den Aufbau sind nur Kondensatoren, Widerständen sowie Operationsverstärkern notwendig.
- Die Bauelemente benötige keine hohe Belastbarkeit, die Weiche ist leicht miniaturisierbar
- Daher komplexere Weichen möglich
- 100% der Leistungsverstärkerleistung kommt am Chassis an
- Keine Intermodulation der Wege bei Übersteuerung, auch bei Übersteuerung des Basses weiterhin eine saubere Hochtonwiedergabe
- Daher nur ein Bruchteil der Leistung eines Vollbereichsverstärkers notwendig (Faktor 3 bis 10)
- Keine Rückwirkungen zwischen Chassis und Weiche, leichter dimensionierbar und ggf. anpassbar
- Überlastüberwachung präziser implementierbar als bei Passivweichen.
Beispiel für einfachen 2-Wege-Aktiv-Lautsprecher mit Weiche 4. Ordnung:
+-------||--------+ +-------||--------+
| | | |
|\ __ | __ |\ | __ | __ |\ | |\
--| >--+--|__|--+--|__|--+---| >--+--|__|--+--|__|--+---| >--+--|+ \
|/ | | |/ | |/ | >----+
| _|_ _|_ |- / __|__/| Konus-
| --- --- |/ | | | Tiefmittel-
| | | |___| | töner
| _|_ _|_ | \|
| _|_
| __ __
| +------|__|-------+ +------|__|-------+
| | | | |
| | |\ | | |\ | |\
+---||---+---||---+---| >--+---||---+---||---+---| >--+--|+ \
_|_ |/ _|_ |/ | >----+
| | | | |- / __|__
|_| |_| |/ | |\ Kalotten-
| | |___|/ hochtöner
_|_ _|_ |
_|_
Digitale Aktivweiche
Digitale Weichen sind immer Aktivweichen. Es gilt daher im wesentlichen das zu (elektronischen) Aktivweichen gesagte.
Meist sind mehrere Eingänge vorhanden, um sowohl das Einspeisen von analogen Signalen zur erlauben als auch das verlustfreie Einspeisen von Digitalsignalen über XLR, TOS-Link oder S/P-DIF. Hinter einem Quellwahllschalter befindet sich ein Digitaler Signalprozessor geeigneter Leistungsfähigkeit. Dieser korrigiert und teilt das Signal für die entsprechenden Chassis. Das Ausgangssignal wird über Digital-Analog-Wandler wieder ins analoge übersetzt, auf Leistungsverstärker gegeben und den Chassis zugeführt. Der notwendige Aufwand ist höher als bei analogen Aktivweichen, allerdings sind die Möglichkeiten deutlich höher. Es sind deutlich komplexere und trotzdem langzeitstabile Filter möglich. Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung verringern sich die Unterschiede im Aufwand verglichen mit elektronischen Aktivweichen.
Beispiel für einfachen 3-Wege-DSP-Aktiv-Lautsprecher:
_______ _______ |\
+------------+ | | | | +--|+ \
| | 24 bit | RAM | | ROM | | | >-----+
analog ----| AD-Wandler |---//---+ |_____| |_____| | |- / __|__
max. 4 V | | | | | | |/ | |\ Kalotten-
+------------+ | +----------+ +---+-------+---+ | |___|/ hochtöner
+--| | | | | |
+------------+ | | | DAC--+ _|_
| | 24 bit | Quellen- | | Digitaler | |\
S/P-DIF--/--+ S/P-DIF- +---//------| wahl- +----+ Signal- DAC-----|+ \
| Receiver | | schalter | | Prozessor | | >-----+
+------------+ | | | (DSP) DAC--+ |- / __|__/|
+--| | | | | |/ | | | Konus-
+------------+ | +----------+ +---+-+-+-+-----+ | |___| | mittel-
690nm | | 24 bit| | | | | | | \| töner
TOS _/\/\/\_| TOSlink- +---//---+ weitere Anschlüsse | _|_
link | Receiver | für Fernbedienung, | |\
+------------+ Anzeigen, Temperatur- +--|+ \
sensoren, Relais | >-----+ /|
|- / ___|___/ |
|/ | | | Konus-
| | | Tief-
|_____| | Töner
| \ |
| \|
_|_
Mögliche Komfortfunktionen:
- Fernbedienung
- Lautstärkereglung (bei digitaler Zuspielung erforderlich)
- Umschalten zwischen verschiedenen Frequenzgängen und Abstrahlverhalten
- Temperaturüberwachung der Chassis, um
- Zerstörung zu vermeiden
- ggf. Trennfrequenzen anpassen
- temperaturabhängige Parameter zu kompensieren
- Überwachung der Membranauslenkung
- Zerstörung zu vermeiden
- ggf. Trennfrequenzen anpassen
Fehler bei der Reproduktion
Typische Wiedergabefehler von Lautsprecher / Lautsprechersystemen / Hörräumen
Wiedergabefehler sind entgegen landläufiger Meinung sehr wohl messbar und deren Auswirkungen auf das Hörereignis sind abschätzbar. Das Hauptproblem ist, daß Hörgewohnheiten und subjektive Präferenzen in die Qualitätseinschätzung mit aufgenommen werden.
Ein weiteres Problem ist, dass Lautsprecher immer mit dem Hörraum interagieren und man dieses System nie allein betrachten darf, um den Hörprozeß zu verstehen. Ob ein Wiedergabefehler durch den Lautsprecher oder den Hörraum generiert wurde, ist primär nebensächlich, auch wenn manche Fehler eher eine Folge eines ungeeigneten Hörraums und andere eher eine Folge einer ungeeigneten Lautsprechers sind.
Lineare Wiedergabefehler
Lineare Wiedergabefehler sind im wesentlichen pegelunabhängige Fehler, sie treten bei geringen wie bei hohen Lautstärken auf. Weiterhin entstehen keine im Original nicht vorhandenen Frequenzen.
Verfärbung des Direktschalls
Der auffälligste Reproduktionsfehler eines Lautsprechers ist eine Verfärbung des Direktschalls. Um die Auswirkungen auf den Klang besser abschätzen zu können, wird üblicherweise über 1/6-Oktave gemittelt. Es interessieren dabei vor allem die Abweichungen im Bereich von 100 Hz bis 10 kHz, dort sind Werte um die +/-1 dB hörbar. Unterhalb von 100 Hz und oberhalb von 10 kHz läßt die Empfindlichkeit auf Pegelfehler nach, der Frequenzgang oberhalb von 15...17 kHz ist nur noch von geringer Relevanz.
Für die Beurteilung des Direktschalls sollten die zur Konstruktion gehörigen Bodenreflexionen im Grundton- und Bassbereich mit berücksichtigt werden. Obwohl es sich um Diffusschall handelt, so ist dieser Anteil zum einen nur sehr gering verzögert (bei 3 Meter Abstand und 80 cm Höhe des Tieftöners z.B. 0,3 ms>, zum anderen spätestens bei Standboxen fester Bestandteil der Konstruktion.
<<<Bild eines guten und eines schlechten Direktschallfrequenzgangs>>>
Laufzeitfehler
...
- Gruppenlaufzeit
- Einschwingvorgänge / Ausschwingvorgänge
- Unsinn von Step- und Impuls-Antwort, Rechteckwiedergabe
<<<Bild von gerade so hörbaren und von störenden Gruppenlaufzeitverzögerunge>>>
Schmalbandige Resonanzen
Schmalbandige Resonanzen (z.B. des Gehäuses) verursachen nur geringe Fehler im Direktschallfrequenzgang und in der Gruppenlaufzeit, verursachen aber hörbare Veränderungen bei Einschwingen von Musikinstrumenten. Gegenüber Fehlern im Ausschwingverhalten ist das Ohr zwar vergleichsweise unempfindlich, auf Grund der ???? von Ein- und Ausschwingen sieht man aber diese Einschwingvorgänge auch beim Ausschwingen.
<<<Wasserfalldiagramm>>>
<<<Einschwing- oder Ausschwingvorgang an so einer problematischen Frequenz>>> <<<Optimales Ein- und Ausschwingen>>>
Verfärbung des Diffusschalls
<<<Richtfaktor eines Lautsprechers>>> <<<"Götz"-Diagramm hor.+vert.>>>
Doppelräumigkeit
Aufnahmen "sehen" im allgemeinen zwei Räume, bevor sie zum Ohr gelangen.
- Aufnahmeraum im Studio/Konzertsaal
- Wiedergaberaum zu Hause
Selbst wenn beide Räume den gleichen Klang haben, klingt das häufig furchtbar (z.B. Eigenaufnahme im Wohnzimmer aufgenommen und dann dort wieder abgespielt).
Asymmetrien / Paarabweichungen
Abweichungen der Frequenzgänge der beteiligten Lautsprechern untereinander führen zu Ortungsunschärfen und zu Klangänderungen von bewegten Quellen (letztes ist besonders bei Videowiedergabe störend). Die Unterschiede betreffen vor allem den Direktschall. Der Direktschall wird neben dem Lautsprecher durch seine unmittelbare Umgebung beeinflußt, es interessieren alle Gegenstände im Raum, die die erste Millisekunde beeinflussen.
Das ergibt vor allem bei sogenannten Center-Lautersprechern Probleme, weil diese meist anders konstruiert und anders aufgestellt sind als die zugehörigen Frontlautsprecher.
Die Emfindlichkeit ist unterschiedlich:
- Fehler vorn sind deutlicher hörbar als hinten
- Am empfindlichsten ist das Ohr gegenüber Links-Rechts-Abweichungen, Vorn-Hinten oder Oben-Unten-Fehler sind weniger deutlich.
Hörbare Abweichungen treten im Bereich 250 Hz bis 2 kHz ab 0,5 dB auf, maximale Unterschiede von 0,25 dB sin daher anzustreben.
Nichtlineare Wiedergabefehler
Nichtlineare Wiedergabefehler sind im wesentlichen pegelabhängige Fehler, sie treten im wesentlichen bei hohen Lautstärken auf. Es entstehen dabei zusätzliche Frequenzen, die im Original nicht vorhanden sind.
Klirrfaktor
Der Klirrfaktor ist zwar die bekannteste und am einfachsten zu messende nichtlineare Verzerrung, aber in der Praxis die unproblematischste. Im Hochtonbereich (ab ca. 1 kHz) liegt der Klirrfaktor häufig selbst bei thermischer Grenzbelastung unter 1%. Hintergrund sind die sehr geringen Membranauslenkungen bei hohen Frequenzen, die zu tiefen Frequenzen um Größenordnungen zunehmen.
Intermodulation
Die Intermodulation ist die typische Verzerrung, die bei Überlastung sofort hörbar wird. Bei Mehrwegesystemen kann Intermodualtion nur in Frequenzbereichen wirksam werden, die mit dem gleichen Chassis abgestrahlt werden. Da Verzerrungen im Bereich 500 Hz...4 kHz am deutlichsten zu hören sind um Intermodulation am stärksten durch den großen Membranhub tiefer Frequenzen ausgelöst wird, sind in 3-Wege-Systeme, in denen Bässe (Frequenzen <100 Hz) und Mitten (Frequenzen 500 Hz...4 kHz) auf getrennten Chassis abgestrahlt werden, 1-Wege- und 2-Wege-Konstruktionen deutlich überlegen.
Differenzton
...
Dynamikkompression, dynamische Änderung von Parametern
...
Störgeräusche
- Strömungsgeräusche im BR-Kanal
- Verstärker + Filterrauschen bei Aktivsystemen
- Geräusche durch mechanische Spannungen im Gehäuse/Chassis
- Störgeräusche aus dem Raum
- Klappern, Vibrieren
- Umgebungslärm, Lüftung
Maximalpegel
Begrenzung möglich durch
- thermische Belastbarkeit
- mechanische Belastbarkeit
- Kompression
- Klirr
- Intermodulation
- Limiter / Verstärkerleistung
Spezielle Anwendungen
Subwoofer
Subwoofer sind Spezial-Lautsprecher zur Unterstützung von kompakteren Vollbereichslautsprechern am unteren Frequenzende.
PA-Lautsprecher
Die PA-Lautsprecher (PA steht für Public Address) werden zur Beschallung von Konzerten und Veranstaltungen verwendet.
Spritzwassergeschütze Lautsprecher / Unterwasserlautsprecher
Spritzwassergeschütze Lautsprecher bzw. Unterwasserlautsprecher sind Lautsprecher, die feuchtigkeitsresistent sind bzw. an die Erfordernisse der Schallabstrahlung unter Wasser optimiert sind.
Technische Ultraschallautsprecher
Zum Reinigen, Schneiden (Gewebe) und zur Ortung werden Technische Ultraschallautsprecher verwendet.
Lautsprecherhersteller
- Behringer (Studio)
- Bose (Lowfi, Hifi, PA)
- Bowers & Wilkins (Hifi, Highend)
- Canton (Hifi)
- Ciare (PA Chassis)
- Dynaudio (Hifi, Studio)
- Elac (Hifi)
- Genelec (Studio) (Aktivsysteme)
- KEF
- Klein + Hummel (Studio, PA) (Aktivsysteme)
- Mackie (Studio) (Aktivsysteme)
- Magnepan (Hifi, Magnetostaten)
- Martin Logan (Hifi, Elektrostaten)
- Morel (Hifi Chassis)
- Nubert (Hifi)
- ME Geithain (Studio) (Aktivsysteme)
- Tannoy (Hifi, Studio) (Aktiv- und Passivsysteme)
- Teufel (Hifi)
- Thiel (Hifi)
- Visaton (Chassis, Hifi, Highend, ELA)
Weblinks
Grundlagen
- Akustik- und Lautsprecher-Guide von Carsten Rampacher
- HiFi-Lexikon mit Schwerpunkt Multimedia
- Mit dem dB auf Du und Du
- Thiele & Small für Anfänger
Weiterführendes
Hier sind anspruchsvolle Artikel oder Links auf Artikelsammlungen über Raumakustik, Raumentzerrung, Schallfeldsynthese, Raumabbildung, Aktiv-Lautsprecher, DSP-Weichen, anspruchvolle Konzepte u.s.w. zu finden, die erhebliches Grundlagenwissen erfordern, um vollständig verstanden zu werden.
Digitale Signalverarbeitung für Lautsprecher
- http://www.anselmgoertz.de/Page10383/Anselm_Goertz_dt/Veroffentlichungen_dt/SwenDiss.pdf oder
- http://sylvester.bth.rwth-aachen.de/dissertationen/1999/2/99_2.pdf
Neue Methoden zur Anpassung von Studiomonitoren an die Raumakustik mit Hilfe digitaler Filterkonzepte
- http://www.anselmgoertz.de/Page10383/Anselm_Goertz_dt/Veroffentlichungen_dt/DAGA2002-Teil1.PDF und
- http://www.anselmgoertz.de/Page10383/Anselm_Goertz_dt/Veroffentlichungen_dt/DAGA2002-Teil2.PDF
Optimierung der Wiedergabe von Surround Lautsprecheranordnungen in Tonstudios und Abhörräumen
Entwicklung der Digitalen Controller für Lautsprechersysteme
Selbstbau:
- Double Bass Array: http://www.visaton.de/vb/showthread.php?s=&threadid=7500g
- DSP-3-Wege-Aktiv-Flachlautsprecher: http://www.hifi-forum.de/index.php?action=browseT&forum_id=104&thread=1&z=1#38
Hifi-PA-Systeme:
Abhörbedingungen für Hörräume:
- Raumakustik in Regieräumen
- Hörbedingungen und Wiedergabeanordnungen für Mehrkanal-Stereofonie
- Einführung Akustik und Beschallungstechnik
- Kurzer Abriss über Nachhallzeit, raumakustische Kriterien, Raumeigenmoden, Absorber, Diffusoren
- Raumakustik, Hörraum, Akustik verbessern, Bau eines Hörraumes
- Schallabsorption, Nachhallzeit, Absorber und Resonatoren (mit Formeln zur Berechnung)
- Entwicklung eines Mehrkanaligen Systems für eine virtuelle Raumakustik
Webforen über Lautsprecher und Raumakustik
- Audiodiskussion - Forum für den Lautsprecherselbstbau
- AudioMap-Forum
- Hifi-Forum: Stereo-Lautsprecher
- Hifi-Forum: Mehrkanal-Lautsprecher
- Hifi-Forum: Raumakustik
- Hifi-Forum: Lautsprecher-Selbstbau
- Nuforum (Lautsprecherhersteller Nubert)
- Visaton-Forum (Chassishersteller Visaton)
Software für Lautsprecher und Raumakustik
- ...
Literatur
Empfehlenswerte Bücher
- Dickason, Vance: Lautsprecherbau. ISBN 389576116-8
- Stark, Berndt : Lautsprecher-Handbuch. 8. überarbeitete Auflage. ISBN 3-7905-0904-3
- Walz, Georg: Lautsprecherboxen erfolgreich selbst bauen. 2. Auflage. ISBN 377235894-2
Empfehlenswerte Periodika
Es erscheinen zur Zeit drei deutschsprachige Publikationen die sich mit dem Bau von Lautsprechern und dem Test von Lautsprecherchassis beschäftigen: