Lautsprecherbox
Lautsprecherboxen sind akustische Systeme, die zur Beschallung geschlossener oder offener Räume dienen.
Lautsprecherboxen bestehen neben dem/den eigentlichen Schallwandler/n (Treiber, Chassis) aus (eventuell mehreren) Gehäusen, Frequenzweichen, Dämmstoff und diversen Einbauten.
Für genauere Ausführungen über die Gehäusetypen siehe Lautsprechergehäuse.
Bekannte Fachhersteller von Lautsprechersystemen für den Hifi- und Studiobereich sind unter anderem ABACUS electronics, Bang & Olufsen, Behringer, Bose, Canton, Dynaudio, Elac, Infinity, Jamo, JBL, Magnat, Martin Logan, Nubert, Tannoy und Teufel.
Arten von Lautsprecherfronten
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 0,5 dB führt. Allerdings bleibt ein negativer Effekt bestehen. Für hohe Frequenzen wird insgesamt weniger Schall in den Raum abgestrahlt als für tiefe 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 4π 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 2π 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 4π-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 2π-Strahler. Schalldruck steigt um 6 dB, abgestrahlte Schalleistung um immerhin noch 3 dB.
Wandeinbau
Die Schwankungen der Directivity im Baß (2 π), Grundton (4π) und Mittenbereich (2 π) kann man durch wandnahe Aufstellung, Aufbau an der Wand oder Wandeinbau eliminieren. In diesem Fall ist in jedem Frequenzbereich der Lautsprecher (maximal) ein 2π-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-π-Strahler wird die Schallabstrahlung in eine flache Mulde gelegt. Das erhöht den Kennschalldruck, weiterhin können bei geeigneter Formgebung eine kostante Bündlung im Arbeitsbereich erzieht werden und die Probleme der Kantendiffraktion an den Gehäusekanten ausblendet werden.
Klassischen (langes) Horn
- Klassische Horn-Lautsprecher: Der Lautsprecher wird über ein langes Horn an die Umgebung angekoppelt, was neben der Schallbündelung - im Gegensatz zum Waveguide - mit einer Verbesserung des Strahlungswiderstandes verbunden ist. Mit einem Horn-Lautsprecher können sehr hohe Kennschalldrücke von >100 dB (1 W, 1 m) erreicht werden, allerdings steigt die Gefahr von Resonanzen und Nichtlinearitäten. 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.
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 (ungleichmäßige Bündelung)
- 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 Lautsprecherbox 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.
Für unterscheidliche Frequenzbereiche können verschiedene Chassisformen verwendet werden. Die Konstruktionsmerkmale sind dabei:
- Membrandurchmesser,
- Membranform/Membranmaterial,
- Schwingspulenüber-/unterhang, maximale Auslenkung,
- Schwingspulendurchmesser,
- Membranmasse.
Übliche Bauformen bestehen aus:
- Kalottenlautsprechern mit 0,5" (13 mm) bis 3" (76 mm) für die Wiedergabe von Hochton und Mittelton,
- Konuslautsprechern 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.
Reduzierung der wirksamen Membranfläche am oberen Ende des Übertragungsbereichs
Bei tiefen Frequenzen schwingt die Lautsprechermembran als ganzes. Bei höheren Frequenzen ist dies nicht mehr der Fall. Membranbereiche mit größerem Abstand zum Antriebs (Schwingspule) schwingen mehr und mehr phasenverschoben und mit anderer Amplitude. Gut bedämpfte Membranen aus weicheren Materialien neigen zu einer starken Bedämpfung von Membranbereichen, die sonst phasenverschoben abstrahlen würden, bei harten Membranen (Metall, Keramik) hat man teilweise den entgegengesetzten Effekt - die Membran schwingt teilweise stärker als bei niedrigeren Frequenzen, was zu unschönen Spitzen im Frequenzgang führt, die durch aufwendige Weichen bedämpft werden müssen.
Bei gut bedämpften Membranen reduziert sich die Amplitude von schwingspulenfernen Membranbereichen. Weiterhin kann dieser Effekt durch geeignete Membranformgebung (Krümmungsradien) unterstützt werden. Das führt bei Konuslautsprechern zu einer Reduktion der effektiven Membranfläche bis hin zur von der Schwingspule eingeschlossenen Fläche, bei typischen Kalotten tritt dieser Effekt nicht auf, Membrandurchmesser und Schwingspulendurchmesser sind dort (meist) identisch.
Dieser Effekt ist für die Qualität eines Chassis bedeutend, durch ihn kann der Arbeitsbereich des Chassis deutlich vergrößert werden, da
- Partialschwingungen reduziert werden (statt verkehrt schwingt ein Membransegment überhaupt nicht mehr)
- die Bündung der Schallabstrahlung reduziert wird (weil die effektive Membran kleiner wird).
Allerdings gibt es auch negative Eigenschaften, die solche weichen Membranen mit sich bringen:
- Nichtlinearitäten (Klirrfaktor) steigen an
- Bei starker Belastung können unkontrollierte (chaotische) Bewegungen der Membran auftreten, die eine flatternde Wiedergabe bewirkt
Entgegen üblicher Meinung tritt der Effekt der Reduzierung der wirksamen Membranfläche nicht nur bei Breitbändern, sondern auch bei größeren Konus-Mitteltönern und Konus-Tiefmitteltönern auf. Ein heutzutage häufig verwendeter 18 cm-Mitteltöner wäre ohne diesen Effekt bis 1000 Hz einsatzfähig (alpha ~ 1,7).
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 Bündelung, 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.
Reproduktionsfehler durch Raumakustik
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.
Laufzeitfehler
Die Hörbarkeit von Laufzeitfehlern bezieht sich zumeist auf das Verhalten der Lautsprecherbox im Baßbereich, wo durch die langen Periodendauern hohe Laufzeitfehler auftreten. Die Wahrnehmbarkeitsschwelle wird in der Fachliteratur mit ca. 10ms angegeben, was eine durchschnittliche Baßreflexkonstruktion mit Eckfrequenz 45 Hz bereits überschreitet. Lösungen sind der Einsatz von Boxenkonstruktionen mit flachem Pegelabfall unterhalb der unteren Grenzfrequenz (Filter 2. Ordnung, z.B. geschlossene Baßgehäuse) oder die Entzerrung mittels digitaler Laufzeitkorrektur. Bei einem Großteil aller Lautsprecherboxen am Markt (gilt für fast alle Baßreflex- und Bandpaßboxen, verstärkt für Doppelreflex- und Mehrkammerbandpässe) wird jedoch auf eine Optimierung dieses Parameters verzichtet.
Laufzeit- und Phasenfehler im Mittelhochtonbereich sind entgegen landläufiger Annahme in weiten Grenzen unhörbar, das menschliche Gehör kann innere Laufzeitfehler erst ab 1...2ms überhaupt wahrnehmen, was von kaum einer üblichen Lautsprecherkonstruktion überschritten wird. Die Bewertung von Lautsprechern mittels Sprungantwort oder Rechtecksignal ist daher vollkommen unaussagekräftig, da eine optisch starke Verzerrung des Signals nicht hörbar ist, die tatsächlich hörbaren Phänomene im Baßbereich jedoch im Diagramm nicht erkennbar sind (weil tieffrequente Signale zu schwach im Frequenzmix enthalten sind).
- Gruppenlaufzeit
- Einschwingvorgänge / Ausschwingvorgänge
- Unsinn von Step- und Impuls-Antwort, Rechteckwiedergabe
Schmalbandige Resonanzen
Schmalbandige Resonanzen (etwa des Gehäuses) verursachen nur geringe Fehler im Direktschallfrequenzgang und in der Gruppenlaufzeit, aber hörbare Veränderungen bei Einschwingen von Musikinstrumenten.
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, beeinflusst Doppelräumigkeit den Klang negativ (etwa bei einer Eigenaufnahme, die im Wohnzimmer aufgenommen und dann dort wieder abgespielt wurde).
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Spezielle Anwendungen
- Subwoofer sind Spezial-Lautsprecher zur Unterstützung von kompakteren Vollbereichslautsprechern am unteren Frequenzende.
- PA-Lautsprecher (PA steht für Public Address) werden zur Beschallung von Konzerten und Veranstaltungen verwendet.
- Spritzwassergeschütze bzw. Unterwasser-Lautsprecher sind Lautsprecher, die feuchtigkeitsresistent sind bzw. an die Erfordernisse der Schallabstrahlung unter Wasser optimiert sind.
- Zum Reinigen, Schneiden (Gewebe) und zur Ortung werden Technische Ultraschalllautsprecher verwendet.
Weitere Komfortfunktionen
- Fernbedienung
- Lautstärkereglung (bei digitaler Zuspielung erforderlich)
- Umschalten zwischen verschiedenen Frequenzgängen und Abstrahlverhalten
- Temperaturüberwachung der Chassis, um Zerstörung zu vermeiden gegebenenfalls Trennfrequenzen anzupassen und temperaturabhängige Parameter zu kompensieren
- Überwachung der Membranauslenkung, um Zerstörung zu vermeiden und gegebenenfalls Trennfrequenzen anzupassen
Leistung von Lautsprecherboxen
Die Leistung von Lautsprecherboxen wird in Watt angegeben. Für die Messung der Leistung bestehen verschiedene Normen beziehungsweise Gepflogenheiten. Die Angaben der Leistung einer Lautsprecherbox können, je nach Messmethode, stark voneinander abweichen. Siehe dazu:
Siehe auch
Lautsprecherkabel, Marshall-Turm
Literatur
- Dickason, Vance: Lautsprecherbau. Erweiterte und überarbeitete Neuauflage. ISBN 389576116-8
- Dickreiter, Michael: Handbuch der Tonstudiotechnik. Sehr umfangreich, fast 1.000 Seiten, 2 Bände. ISBN 35-981-1320-X
- Stark, Berndt: Lautsprecher-Handbuch. 8. überarbeitete Auflage. ISBN 3-7905-0904-3
- Walz, Georg: Lautsprecherboxen erfolgreich selbst bauen. 2. Auflage. ISBN 377235894-2