Lautsprecher

Ein Lautsprecher ist ein Bauteil der Elektrotechnik, das verwendet wird, um elektrische Wechselspannung oder Wechselstrom in Luftdruckschwankungen, die als Schallwellen bezeichnet werden, umzuwandeln.

Lautsprecher

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

Historischer magnetischer Lautsprecher der Firma Celestion aus dem Jahr 1924

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 Lautsprecherhersteller sich erst in den sechziger und frühen siebziger Jahren gründeten.

(Quelle: Fachzeitschrift der 80er Jahre)

Funktionsprinzipien und Aufbau

Datei:Polypropylen-Konustieftoner Genelec 1030.jpg

6,5"-Polypropylen- Chassis mit Aluguß-Korb und Kompensationsmagnet aus Nahfeldmonitor Genelec 1030

Datei:Lautsprecher Morel Mitteltonkalotte.jpg

2,125"-Mitteltonkalotte mit Gewebemembran und kompaktem Neodymantrieb (Hersteller: Morel)

Die folgenden elektrischen Effekte sind zur Wandlung von elektrischer Leistung in Schall verwendbar. Die überwiegende Bauform ist dabei der elektrodynamische Lautsprecher mit zentralem Antrieb.

• Elektrodynamischer Lautsprecher: Die Membran wird durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und einem magnetischen Gleichfeld angetrieben. Üblich sind im wesentlichen zwei Formen:
  • (Klassischer) Elektrodynamischer Lautsprecher ("Tauchspulen-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 ${\vec {B}}$ und einer Leiterschleife der Länge ${\vec {l}}$, durch die der elektrische Strom ${\vec {I}}$ fließt (Achtung: l und I nicht verwechseln!)

Dabei entsteht eine Kraft ${\vec {F}}$ von

${\vec {F}}=\left({\vec {B}}\times {\vec {l}}\right)\cdot {\vec {I}}$

Um die Kraft zu maximieren, muss man die drei Größen ${\vec {B}}$, ${\vec {l}}$ und ${\vec {I}}$ orthogonal (senkrecht) aufeinander stellen und sie müssen überall die gleiche Orientierung haben. ${\vec {B}}\times {\vec {l}}$ ist eine wichtige Konstante, sie beschreibt das Umsetzungsverhältnis von Strom in Kraft, häufig als $Bl$ 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

Bild eines dynamischen Lautsprechers (Konus-Bauform): Surround = Sicke; Cone = Membran; Dustcap = Abdeckkappe; Voice coil = Schwingspule

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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           #########
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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 ($F=I\cdot l\times B$), sondern die elektrostatische Anziehungskraft ($F=Q\cdot U/d$, $Q=C\cdot U\Longrightarrow F=C/d\cdot U^{2}$). 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: $U$
• NF-Spannung: $U_{b}$
• Abstand zwischen einer GE und Membran: $d$
• Spannung zwischen GE1 und Membran: $U_{1}=U+U_{b}$
• Spannung zwischen GE2 und Membran: $U_{2}=U-U_{b}$
• Kapazität zwischen einer GE und Membran: $C=\epsilon \cdot A/d$
• Kraft zwischen GE1 und Membran: $F_{1}=\epsilon \cdot A/d^{2}\cdot (U+U_{b})^{2}$
• Kraft zwischen GE2 und Membran: $F_{2}=\epsilon \cdot A/d^{2}\cdot (U-U_{b})^{2}$
• Resultierende Kraft auf die Membran: $F=4\cdot U\cdot U_{b}\cdot \epsilon \cdot A/d^{2}$

Die entstehenden Kräfte sind verglichen mit elektrodynamischen Lautsprechern (in denen bei Vollaussteuerung Werte bis 50 N üblich sind), sehr klein. Werte von $U=$2000 V, $U_{b}=$1000 V, $d=$ 4 mm, $A=$ 1,5 m $\times$ 0,4 m = 0,6 m² führen zu gerademal $F=$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$\ldots$100 kHz) verwendet werden.

Aufgrund zahlreicher Resonanzmoden von ferroelektrischen Lautsprechern und ihrer geringen inneren Dämpfung, sind diese 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.

Elektromagnetischer Planarlautsprecher

Effizientes und damit sehr verzerrungsarmes Prinzip - 1984 erstmalig serienreif von Stanley Marquiss vorgestellt und mehrfach modifiziert.

Ionen-Lautsprecher

Prinzip von Dr. Klein und prinzipiell in den ersten Hammond Orgeln präsentiert.

Ultraschall-Lautsprecher

Es gibt zwei Anwendungen für Ultraschallautsprecher. Zum einen zum Abstrahlen von Ultraschall zur Reinigung, Materialbearbeitung oder Datenübertragung. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Ausnutzung von nichtlinearen Effekten zum Erzeugen von hörbarem Schall aus gut bündelbarem Ultraschall.

Ultraschallautsprecher zur Abstrahlung von hörbarem Schall: Siehe:

• http://194.8.213.140/news/0003/3001s28.htm (www1.production-partner.de)
• 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 rückwärtigen 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 einzubauen. Dieses 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

Offene Schallwände kommen auch zum Einsatz bei modernen Dipol Lautsprechern oder Lautsprecher im Retro-Design.

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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:

• Kein Einfluß Gehäuses auf Lautsprecher

Nachteile:

• Um Frequenzen unterhalb von 100 Hz zu übertragen, müssen Schallwände sehr groß sein.

Sinnvolle Abstimmung:

• Bei Aktivboxen:
  • Bass-Bereich mit Equalizer um den 6 dB-Abfall aufzufangen.
• 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.
• verschiedene Abstimmvarianten(Hooge, Thiele/Small, Novak, Bullock,...); Frequenzgang und Gehäusegröße bei gegebenem Chassis und Raumverhältnissen vielfältig gestaltbar.

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.
• Bei Abstrahlung von Schall unterhalb der Resonanzfrequenz des Gesamtsystems kommt es infolge unbedämpfter Abstrahlung zu übergroßen Membranauslenkungen.

Sinnvolle Abstimmung:

• Bei Aktivboxen:
• ... bei aktiver Entzerrung Subsonicfilter erforderlich.
• 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.

Beispiel von Jörg Panzer

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,--------  ##<           ## /              |
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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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| '------'------'
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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 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:

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|         ##<            |       ##<
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|         ##<            |             >##
|         ## \           |            / ##
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+-------------+          +-----------+

Beachte: Für Antiparallelschaltung sind getrennte Kammern sinnvoll, sie reduzieren Großsignalarbeitspunktverschiebungen.

Reihenschaltung / Antireihenschaltung:

+---------------+        +---------------+
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|         +-----+        |            +--+
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|     ## /  ## /         |        ## /    \ ##    
|     ##<   ##<          |        ##<      >##  
|     ## \  ## \         |        ## \    / ##
|         |     |        |            |  |     
|         +-----+        |            +--+
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+---------------+        +---------------+

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:

+-------     ---------     -------+
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|        \_/           \_/        |
 \ ##    ###           ###    ## /           
  >##    ###           ###    ##<            ---> 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      
|        \______/                      
|                                    
\                                    
|\                                    
| \_                                   
|   \_                               
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Beispiel für ein direktstrahlendes Lowther-Horn:

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|  /         \ /    \ /  :::|
| /           V   ,  V | ## /    direkt-
|/            |   |  | | ##<   strahlendes
|       ,     |   |  | | ## \   Chassis
|       |     |   |  | |::::|
|       |     |   |  | |:::/
|       |     |   |  | |::/     
|       |     |   |  | |:/       
|       |     |   |    |/           
|       |     |   |\___/               
|       |     |   |   /              
|       |     |   |  /               
|       |     |   | /               
|       |     |   |/                
|       |         /             Hornmund     
|       \        /                    
|        \______/                      
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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 keine großen Rolle mehr.

Lautsprecherfront zur Optimierung der Front-Schallabstrahlung

Datei:Diffraction Gehäuse.jpg

Auswirkungen der unmittelbaren Umgebung eines idealen Chassis auf den Frequenzgang auf der Achse

Die Gestaltung der Lautsprecherfront, d.h. die Form des Frontpanels wie die Lage von 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 oder verschwiegen, obwohl der genauso wichtig wie Chassiswahl und Abstimmung des Gehäuses ist.

Das Bild zeigt die Auswirkungen der Lautsprecherfront auf den Frequenzgang eines ansonsten idealen Chassis. Die Auswirkungen sind beträchtlich, bei ungünstigen Formen (die man ab und zu sogar in der Praxis findet) sind Schwankungen im Bereich zwischen -1 dB und +10 dB möglich. Auf einer unendlich großen Schallwand montiert, hätte das Chassis einen exakt linearen Frequenzgang bei +6 dB. Kleine, kantige, zum Chassis symmetrische Gehäuse sind ungünstig, Große, abgerundete oder angefaste, mit leichten Asymmetrien versehene Gehäuse zeigen einen deutlich gutmütigeren Frequenzgang, der sich vergleichsweise einfach entzerren läßt. Diese Entzerrung nennt man Schallwandentzerrung oder Baffle Step-Entzerrung.

Eine geschickte Schallwandgestaltung führt zu einem ähnlich gutmütigen Verlauf wie der einer Kugel, der zu einem Direktschallfrequenzgang von $\pm$0,5 dB führt. Allerdings bleibt ein negativer Effekt bestehen. Für hohe Frequenzen wird insgesamt weniger Schall in den Raum abgestrahlt als für hohe Frequenzen, weil bei hohen Frequenzen nur der vordere Halbraum angeregt wird, bei tieferen Frequenzen dagegen der gesamte Raum.

Flache Schallwand / Halbraum-Strahler / Vollraum-Strahler

Chassis können auf einer flachen Schallwand montiert sein. Sie sollten dabei eingelassen sein, da 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 $4\cdot \pi$ 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 $2\cdot \pi$ 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 Strahlungsenergie 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 Lautsprecher#Sonderform_Hornlautsprecher.

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

Datei:NuL30 2.jpg

2-Wege-Baßreflex-Lautsprecher (NuLine 30)

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

Passivweiche, 3-Wege-System, jeder Weg auf eigener Platine (NuWave 125)

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

Folgende prinzipielle Ausführungsformen sind möglich:

• analog passiv: Großsignalfilter aus Leistungs-Widerständen, spannungsfeste Kondensatoren und belastbare Spulen
• analog aktiv: Kleinsignalfilter aus Widerständen, Kondensatoren und OPVs
• digital aktiv: Kleinsignalfilter aus AD-Wandern, DSPs ud DA-Wandlern

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.

Steilheit von Frequenzweichen

Die Steilheit einer Weiche kann man durch Angabe der Ordnung des Filters oder durch die asymptotische Flankensteilheit angeben. In der Praxis findet man Passivweichen 1. bis 4. Ordnung (6 dB/oct bis 24 dB/oct), Aktivweichen 2. bis 8. Ordnung sowie Digitalfilter mit Übergangsbereichen zwischen 50 Hz und 500 Hz.

In der High-End-Szene sind Filter niedriger Ordnung (1. Ordnung) sehr beliebt, weil sie angeblich das Signal kaum verfälschen. Dabei wird aber absichtlich übersehen, daß man es in der Praxis nie mit idealen Chassis auf unendlich großen Schallwänden in unendlich großen Räumen zu tun hat, sondern mit nichtidealen Bedingungen, so daß Frequenzweichen ohnehin neben der Filterung eine Entzerrfunktion übernehmen müssen. Das Ergebnis hängt dabei weniger von praxsfremden Dogmas als mehr auf ein sauber abgestimmtes Zusammenspiel von Chassis, Boxaufbau, Weiche und Hörraum ab. Filter geringer Ordnung bereiten hierbei größere Probleme

• da das Frequenzbereich, in dem ein Chassis einen Einfluß ausübt, wesentlich größer wird (Mitteltonchassis 400 Hz...3 kHz: 1. Ordnung ~ 40 Hz...30 kHz, 2. Ordnung ~ 130 Hz...9 kHz, 4. Ordnung ~ 230 Hz...5 kHz, 8. Ordnung: 300 Hz...4 kHz )
• der Überlappungsbereich zwischen 2 benachbarten Chassis wesentlich größer wird (Besp. oben zwischen Mittel und Hochtonsystem: 1. Ordnung ~ 0,3...30 kHz, 2. Ordnung ~ 1...9 kHz, 4. Ordnung ~ 1,7...5 kHz, 8. Ordnung: 2,3...4 kHz, 16. Ordnung: 2,6...3,4 kHz), in diesem Bereich mu auf den Frequenzgang zweier Chassis und deren Phasenverhalten geachtet werden.

Weitere Probleme sind:

• Filter 1. Ordnung ergeben die größte thermische Belastung eines Chassis außerhalb des eigentlichen Arbeitsbereiches, erst ab Filter 2. Ordnung halten sich thermische Belastung innerhalb und außerhalb des Arbeitsbereiches die Waage, ab Filter 3. Ordnung ist es erst so, daß die Hauptbelastung eines Chassis durch das eigentliche Nutzsignal erfolgt.
• Filter 2. Ordnung ergeben die größte mechanische Belastung eines Chassis außerhalb des eigentlichen Arbeitsbereiches, erst ab Filter 3. Ordnung halten sich mechanische Belastung innerhalb und außerhalb des Arbeitsbereiches die Waage, ab Filter 4. Ordnung ist es erst so, daß die Hauptbelastung eines Chassis durch das eigentliche Nutzsignal erfolgt.

In der professionellen Beschallungstechnik wird man daher kaum Weichen mit einer geringeren Ordnung als 4 finden.

Filter dieser Ordnung sind bei Trennung oberhalb von 300 Hz auch bei anspruchsvollen Signal (Synthetischer Baß) noch nicht hörbar,

Beispiel für einfachen 3-Wege-Hybrid-Lautsprecher mit Weiche 2. Ordnung:

                                  +-------||--------+
                                  |                 |
                             __   |   __       |\   |  |\
----+-----------------+-----|__|--+--|__|--+---| >--+--|+ \
    |                _|_                   |   |/      |   >----+
    |                ___                  _|_          |- /   __|__/|  Konus-
   _|_                |                   ---          |/     |   | |  Tief-
   ___               <_                    |                  |___| |  töner
    |                 _>                  _|_                   |  \|
    |                <_                                        _|_
    |                 |
    +----+            +----+----+
    |    |            |    |    |
   <_  __|__         _|_  <_  __|__
    _> |   |\ Hoch-  ___   _> |   |\ Mittel-
   <_  |___|/ töner   |   <_  |___|/ töner
    |    |            |    |    |
----+----+------------+----+----+

Passivweiche

Passivweiche, 3-Wegesystem (B&W Matrix 3 MK II)

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

Für weitere Informationen hierzu, siehe "Frequenzweiche".

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

Datei:Direktschallfrequenzgang eines Lautsprechers1.jpg

schlechter Direktschallfrequenzgang eines Lautsprechers

Datei:Direktschallfrequenzgang eines Lautsprechers2.jpg

guter Direktschallfrequenzgang eines Lautsprechers

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.

Laufzeitfehler

Gruppenlaufzeit eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Subwoofern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

Step-Response eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Subwoofern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

• Gruppenlaufzeit
• Einschwingvorgänge / Ausschwingvorgänge
• Unsinn von Step- und Impuls-Antwort, Rechteckwiedergabe

Schmalbandige Resonanzen

Wasserfall-Diagramm eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Subwoofern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

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 ???? XXXXXX von Ein- und Ausschwingen sieht man aber diese Einschwingvorgänge auch beim Ausschwingen.

<<<Einschwing- oder Ausschwingvorgang an so einer problematischen Frequenz>>> <<<Optimales Ein- und Ausschwingen>>>

Verfärbung des Diffusschalls

Horizontale Bündlung als Isobarendarstellung eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Subwoofern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

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 Empfindlichkeit 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 sind 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. Hauptursache ist die Nichtlinearität des elektromechanischen Wandlers. Der Einfluss der nicht als konstant anzunehmenden Dichte der Luft bei hohen Schallpegeln wird bisher nicht beachtet.

Klirrfaktor

Klirrfaktor bei 95 dB/100 dB/105 dB eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Subwoofern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

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

Datei:StudioMonitore mit KuH.jpg

Studiomonitore (v.l.n.r.: Tannoy, Dynaudio, Genelec, K&H)

• Altec Lansing (Horn)
• Behringer (Studio)
• Bose (Lowfi, Hifi, PA)
• Bowers & Wilkins (Hifi, Highend)
• Canton (Hifi)
• Ciare (PA Chassis)
• Dynaudio (Hifi, Studio)
• Elac (Hifi)
• Genelec (Studio) (Aktivsysteme)
• Intertechnik (Chassis, Hifi, Highend, PA, Bauteile)
• KEF
• Klein + Hummel (Studio, PA) (Aktivsysteme)
• L´Acoustics (PA, Line Array-Systeme)
• Mackie (Studio) (Aktivsysteme)
• Magnat (Home Hifi, Car HiFi)
• Magnepan (Hifi, Magnetostaten)
• Martin Audio (PA)
• Martin Logan (Hifi, Elektrostaten)
• Morel (Hifi Chassis)
• Nubert (Hifi)
• ME Geithain (Studio) (Aktivsysteme)
• P-Audio (Chassis, Hifi, Highend, PA, Bauteile)
• 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
• Akustiklabor
• Akustiklinksammlung
• Einfacher Raumakustikrechner (erfordert Java)

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

• http://www.klein-hummel.de/produkte/download/studio/tmt2002.PDF

Entwicklung der Digitalen Controller für Lautsprechersysteme

• http://www.anselmgoertz.de/Page10383/Anselm_Goertz_dt/Veroffentlichungen_dt/daga97.pdf

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:

• Syrincs MPA-1

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)
• AudioVideo-Forum: AudioVideo-Forum (Forum für den Lautsprecherselbstbau/Heimkino)

Software für Lautsprecher und Raumakustik

• ...

Häufig gestellte Fragen

Was sind 4-Ohm-Lautsprecher und 8-Ohm-Lautsprecher?

Datei:Impedanz eines 4 Ohm Lautsprechers ueber die Frequenz.jpg

Impedanz eines 4-Ohm-Lautsprechers als Funktion der Frequenz

Datei:Impedanz eines 8 Ohm Lautsprechers ueber die Frequenz.jpg

Impedanz eines falschen 8-Ohm-Lautsprechers als Funktion der Frequenz

Die Impedanz von Lautsprechern ist stark frequenzabhängig. Ein 4-Ohm-Lautsprecher unterschreitet (so ist das festgelegt worden) nirgends den Wert von 3,2 Ohm, ein 8-Ohm-Lautsprecher nirgends den Wert von 6,4 Ohm. In Europa ist der Nennwert 4 Ohm, in Amerika war er lange Zeit 8 Ohm, aber auch dort tendiert man mittlerweile eher zu 4 Ohm. Da die Impedanz stark frequenzabhängig ist, kann man nicht durch Vorschalten eines 4-Ohm-Widerstandes aus einem 4-Ohm-Lautsprecher einen 8-Ohm-Lautsprecher machen, der Widerstand würde das Signal zwischen 6,8 dB (dort, wo die Box z.B. eine Impedanz von 3,2 Ohm hat) und 1,4 dB (dort, wo die Box z.B. eine Impedanz von 23 Ohm hat) gedämpft werden. Diese frequenzabhängige Dämpfung (von immerhin 5,4 dB) würde den Frequenzgang verunstalten.

Man beachte weiterhin, daß viele Lautsprecher, die die Hersteller mit 8 Ohm oder 4-8 Ohm beschriften, 4-Ohm-Lautsprecher (oder sogar noch niedrigohmiger) sind. Die Belastung für den Verstärker ist genauso groß wie bei einem 4-Ohm-Lautsprecher.

Das geschieht rein aus Marketinggründen. Ein falscher Aufdruck könnte ja Kunden vergraulen, also druckt man das auf, was die wenigsten Kunden vergrault.

Kann ich die Impedanz eines Lautsprechers messen?

Mit einem normalen Widerstandsmesser kann man die Impedanz nicht messen.

Nähere Informationen: Mit einem normalen Widerstandsmesser mißt man nur den Gleichstromwiderstand. Dieser läßt keinen schlagkräftigen Hinweis auf das Impedanzminimum im Bereich zwischen 20 Hz und 20 kHz zu. Dafür benötigt man ein Meßgerät, das den Wechselstromwiderstand bei wählbaren Frequenzen messen kann. Das kann man sich aus einem NF-Generator, einem Strom und einem Spannungsmesser aufbauen. Auch moderne Computer mit Soundkarte, einer kleinen Zusatzschaltung und geeigneter Software können so was vollautomatisch messen.

Kann ich einen 4-Ohm-Lautsprecher an einen 8-Ohm-Verstärker hängen?

Es wird ihnen kaum was anderes übrigbleiben, (separat erwerbbare) 8-Ohm-Lautsprecher sind selten wie Wasser in der Wüste.

Nähere Informationen: Hier wird ein Entwicklungskonflikt auf den Schultern des Kunden ausgetragen. Für Verstärkerentwickler sind vor allem bei Mehrkanal 8-Ohm-Verstärker einfacher als 4-Ohm-Verstärker zu entwickeln, bei Lautsprecherentwicklern sind 4-Ohm-Lautsprecher beliebter, so daß echte 8-Ohm-Lautsprecher fast nicht mehr aufzutreiben sind. Stellt man noch weitere Forderungen (Größe, Klang, Design), hat man so gut wie keine Chance mehr, echte 8-Ohm-Lautsprecher zu erwerben. Maximal unechte 8-Ohm-Lautsprecher. Das sind Mogelverpackungen, die mit 8 Ohm oder 4-8 Ohm beschriftet sind, aber

Für Verstärkerentwickler ist es einfacher, Verstärker für höhere Impedanzen herzustellen (bei Class-AB-Verstärkern sinken bei höheren Impedanzen die Verzerrungswerte dramatisch, weiterhin hat man besonders bei Mehrkanalverstärkern das Problem, daß 5 bis 7 4-Ohm-Lautsprecher Netzteile mit bis zu 1,8 bis 2,5 Ohm belasten (Stereo: min. 6,3 Ohm)), so daß vor allem Mehrkanalverstärker häufig für 8 Ohm fehldesignt sind.

Das wäre nicht weiter schlimm, wenn es einen Markt mit 8-Ohm-Lautsprechern geben würde, aber ...

Kann ich mit einem 100-Watt-Verstärker eine 100-Watt-Lautsprecherbox zerstören?

Problemlos. Bei geeignetem Signal braucht man wahrscheinlich nicht mal eine Minute. Dabei spielen mehrere Faktoren eine Rolle.

Nähere Informationen:

Problem 1: Unterschiede in der Definition eines 100-Watt-Verstärkers und eines 100-Watt-Lautsprechers:

Ein 100-Watt-Verstärker liefert 100 Watt unverzerrtes Signal (Klirrfaktor <0,7%) an 4 Ohm. Wenn man ihn übersteuert, dann verzerrt er. Je nach Reserven des Netzteiles kann er bei starken Übersteuerungen zwischen 180 Watt (mikriges Netzteil) oder 300 Watt (kräftiges Netzteil) liefern.

Ein 100-Watt-Lautsprecher verträgt 100 Watt Signal an 4 Ohm. Wenn man ihn mit mehr belastet, dann geht er (wenn er keine Überlastsicherung hat) einfach kaputt, weil er überlastet wurde und z.B. die Schwingspule statt 200°C auf 350°C erhitzt wurde.

Kurz:

• Ein überlasteter Verstärker verzerrt
• Ein überlasteter Lautsprecher verstirbt (irreversibel!)

Für den Anwender gibt es einen signifikanten Unterschied zwischen Verzerren und Versterben.

Problem 2: Kurvenform und Crestfaktor:

Die wenigsten Leute hören sich minutenlang konstante Sinustöne an. Sondern es wird sich normalerweise Musik angehört. Das Verhältnis von Effektivwert (der die abgegebene thermische Leistung beschreibt) und dem Spitzenwert ist unterschiedlich. Ein Verstärker, der 28,3 Volt Spitzenspannung unverzerrt an 4 Ohm ausgeben kann (100-Watt-Verstärker), kann folgendes:

Signal	Crestfaktor	Spitzenwert	Effektivwert
Rechteck	0,00 dB	28,3 V	28,3 V (~200 W)
Sinus	3,01 dB	28,3 V	20,0 V (~100 W)
Dreieck	4,77 dB	28,3 V	16,3 V (~ 67 W)
Meßsignal nach IEC-268 zur Messung der Belastbarkeit von Lautsprechern	7,77 dB	28,3 V	11,5 V (~33 W)
Dynamikarme Musik	ca. 10 dB	28,3 V	ca. 9 V (~20 W)
Normale Musik	ca. 14 dB	28,3 V	ca. 5,5 V (~ 8 W)
Dynamikreiche Musik	>20 dB	28,3 V	<2,8 V (~<2 W)

Kurz:

• Ein nicht übersteuerter 100-Watt-Verstärker pumpt maximal 2 bis 20 Watt elektrische Leistung in eine Lautsprecherbox hinein
• Übersteuerte Verstärker verzerren und komprimieren das Signal zusätzlich, das Signal wird damit immer rechteckähnlicher. Bei völlig übersteuertem Signal kann ein 100-Watt-Verstärker allerdings auch 200 Watt elektrische Leistung abgeben. Dafür sind Lautsprecher nicht ausgelegt.

Problem 3: Unterschiedliche Belastbarkeit bei unterschiedlichen Frequenzen:

Ein Verstärker kann über einen großen Frequenzbereich seine maximale Leistung abgeben. Bei einem Lautsprecher ist dies stark frequenzabhängig. Der angegebene Wert gilt für ein Musiksignal mit gleichmäßiger Verteilung über das gesamte Spektralbereich (was normaler hochtonhaltiger Musik entspricht). Ist das Signal ungleichmäßiger oder ungünstig verteilt, verringert sich die Belastbarkeit erheblich.

Das Beispiel zeigt eine typische 3-Wege-Lautsprecherbox mit

• 22 cm-Tieftöner: 80 Watt bei Crestfaktor von 3 dB, 220 Watt bei Crestfaktor von 7,77 dB, 300 Watt bei Crestfaktor von 12 dB
• 13 cm-Mitteltöner: 30 Watt bei Crestfaktor von 3 dB, 75 Watt bei Crestfaktor von 7,77 dB, 90 Watt bei Crestfaktor von 12 dB
• 2,5 cm-Hochtöner: 9 Watt bei Crestfaktor von 3 dB, 16 Watt bei Crestfaktor von 7,77 dB, 25 Watt bei Crestfaktor von 12 dB
• Belastbarkeit bezogen auf aufgenommene Wirkleistung
• Trennfrequenzen: 200 Hz und 2,8 kHz
• verkauft wird so was üblicherweise als Lautsprecher mit einer Belastbarkeit von 250 Watt

Oktave um	Maximale unverzerrte Ausgangsleistung eines Verstärkers an 4 Ohm	Maximale Dauerbelastbarkeit eines 3-Wege-Lautsprechers bezogen auf 4 Ohm mit Crestfaktor		Bemerkungen
		3,01 dB	7,77 dB
16 Hz	70 Watt	10 Watt	10 Watt	große Probleme mit zu großen Membranauslenkungen des Tieftöners
32 Hz	90 Watt	50 Watt	60 Watt	Probleme mit zu großen Membranauslenkungen des Tieftöners
63 Hz	100 Watt	70 Watt	190 Watt
125 Hz	100 Watt	90 Watt	250 Watt
250 Hz	100 Watt	100 Watt	260 Watt	Übergang von Tief- zum Mitteltöner
500 Hz	100 Watt	40 Watt	100 Watt
1 kHz	100 Watt	60 Watt	150 Watt
2 kHz	100 Watt	30 Watt	65 Watt	Begrenzung durch die "Restspannung", die der Hochtöner abbekommt
4 kHz	100 Watt	10 Watt	20 Watt	Der Hochtöner ist auf sich alleingestellt
8 kHz	100 Watt	15 Watt	25 Watt	Induktivität des Hochtöners verringert Stromfluß
16 kHz	95 Watt	50 Watt	90 Watt	Induktivität des Hochtöners verringert Stromfluß
32 kHz	70 Watt	180 Watt	200 Watt	Induktivität des Hochtöners verringert Stromfluß

Literatur

Empfehlenswerte Bücher

• Dickason, Vance: Lautsprecherbau. Erweiterte und überarbeitete Neuauflage. 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:

• Klang & Ton (Michael E. Brieden Verlag)
• Hobby Hifi (Timmermanns Verlag GmbH)
• Hifi-Selbstbau (Online-Magazin)

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Einzelpegel eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Subwoofern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

Datei:8zollhinten.JPG

20 cm-Tieftöner mit Polkernbohrung von hinten

Datei:12zollhinten.JPG

30 cm-Tieftöner mit Polkernbohrung von hinten

Datei:NuBox 310 6 04 1.jpg

Passivweiche, 2-Wege-System (NuBox 310)

Datei:Sat2.JPG

Beschreibung

Datei:Sat-tmt1.JPG

Beschreibung

Chassis 25 cm, Blick von vorn