Lautsprecherbau Teil 1

Erinnerung:
In der Regel sollte der Lautsprecher ein klangliches Ereignis so reproduzieren, wie es im Original wahrzunehmen war. Das klingt einfach. Dazu kann man folgende einfach klingenden Forderungen aufstellen:

  • Der Lautsprecher muss alle hörbaren Töne in gleicher Lautstärke wie im Original wiedergeben.
  • Er sollte keine zusätzlichen Töne erzeugen.
  • Und beides sollte er bei beliebiger Lautstärke tun.

Der Lautsprecher ist leider weit davon entfernt ideale Eigenschaften zu zeigen

Oben genannte Anforderungen erfüllen Verstärker nach dem Stand der Technik und auch die Klangquellen (CD, Internetradio, Streaming-Portale, eigener Streamer) praktisch perfekt:

  • Der Frequenzgang der genannten Quellen weicht vom Ideal im hörbaren Bereich kaum ab (< 1 dB).
  • Zusätzlich erzeugte Töne, z.B. nichtlineare Verzerrungen liegen im Vergleich zum Nutzsignal meist unter 0,1 %.

Ein einzelner Schallwandler in einem Lautsprecher (im folgenden Chassis genannt) ist davon weit entfernt: Über den hörbaren Frequenzbereich schwankt seine Lautstärke meist um mehr als 20 dB; seine nichtlinearen Verzerrungen erreichen je nach Frequenz und Schalldruck durchaus einige Prozent.

Das Chassis (also der einzelne Schallerzeuger) hat große Probleme den hörbaren Frequenzbereich von ca. 20 Hz bis 20 000 Hz einigermaßen fehlerfrei zu reproduzieren. Daher kam man auf die Idee

  • für hohe Töne ein auf hohe Töne spezialisiertes Chassis: Hochtonschallwandler oder Hochtöner genannt
  • für tiefe Töne ein auf tiefe Töne spezialisiertes Chassis: Tieftonschallwandler oder Tieftöner genannt

zu verwenden.

Was zeichnet das Hochtonchassis aus

Hochtonschallwandler sollen den oberen Frequenzbereich in Richtung des Zuhörers richtungsunabhängig abstrahlen. Dies begrenzt ihre Größe: hat die Membran des Chassis einen Durchmesser von 10 cm, und soll es eine Frequenz von 10.000 Hz abgeben, so gilt Folgendes:

  • 10 000 Hz entsprechen einer Wellenlänge von (Schallgeschwindigkeit / Frequenz) = 343,2 m/s / 10 000 1/s = 3,432 cm
  • Bewegt sich der Hörer aus der Mittelsenkrechten des Hochtonchassis heraus so nimmt die Schallintensität sofort ab
  • Erreicht er 20 Grad Winkel zur Mittelsenkrechten, so wirken auf ihn vom Chassis alle Phasen von 0 bis 360 Grad, die Lautstärke ist minimal.

Ist das Lautsprecherchassis doppelt so groß, so tritt der Effekt der Auslöschung schon bei knapp 10 Grad Winkel auf. Das Gleiche gilt für den ursprünglichen Lautsprecher bei doppelter Frequenz (20 000 Hz): Auslöschung bei knapp 10 Grad.

Das ist der Grund, warum man Hochtonchassis meist sehr klein macht: Kalottenhochtonchassis haben Membrandurchmesser von meist unter 3 cm, wodurch es im hörbaren Bereich unter beliebigem Winkel keine Auslöschung gibt.

Mehrere Hochtonlautsprecher sind meist nicht zweckmäßig, da hier auch das Problem der Schallauslöschung unter gewissen Winkeln auftritt. Bändchen mit vertikal angeordneter

Membran bündeln den Schall horizontal, sodass der Hörer etwa in der Höhe des Lautsprechers hören sollte (bei senkrecht eingebautem Bändchen).

Was zeichnet den Tieftonlautsprecher aus

Bei tiefen Frequenzen hat man ein ganz anderes Problem: Der Wellenwiderstand des Lautsprechers passt nicht zum Wellenwiderstand der Umgebung. Je kleiner die Lautsprechermembran desto schlechter löst sich der Schall von der Membran (mit Halbierung der Membranfläche halbiert sich auch der Wirkungsgrad des Lautsprechers). Für eine Frequenz von 20 Hz (17,11 m Wellenlänge) wäre ein Tieftonlautsprecher mit demselben Membranumfang, also ca. 5 Meter Durchmesser optimal.
Im HiFi-Bereich sind Lautsprecherchassis mit Durchmessern von 17 bis 30 cm realistisch und üblich.

Verbindung von Hoch- und Tieftonlautsprecher

Beide werden durch eine Frequenzweiche angesteuert, deren Eigenschaft auf die beiden Chassis, auf das Gehäuse und auf die spezielle Einsatzumgebung des Lautsprechers abgestimmt sein sollte. Dazu wird es eine separate Beschreibung geben.
Eigenschaften des Lautsprechers mit Hoch- und Tieftonlautsprecher
Die Auswahl des Hochtonlautsprechers und des Tieftonlautsprechers können erfolgen nach:

  • ebenem Frequenzgang der Chassis in ihren Frequenzbereich
  • geringen nichtlinearen Verzerrungen (Klirr) im reproduzierten Frequenzbereich
  • kurzem Nachschwingen der Chassis, wenn das Nutzsignal abbricht
  • einer Abstrahlcharakteristik, die den Wünschen der Zuhörer entspricht (wo sitzen diese?)
  • Leistungsfähigkeit der Lautsprecher (welche Lautstärke wird benötigt?).

Wechselwirkung zwischen Raum und Lautsprecher

Ein Raum ist durch Wände, Fenster, Durchgänge, Decke und Boden begrenzt, die unterschiedlich reflektieren. Durch die Reflexion der einzelnen Teile wird die Wiedergabe stark beeinflusst. Eine starke Reflexion bewirkt, dass das Signal (Musik, Sprache) völlig unverständlich wird. Eine sehr geringe Reflexion (das ist gleichbedeutend mit einer hohen Absorption der Randbereiche) wirkt unnatürlich.
Abhängig von den Raumeigenschaften und der Abstrahlcharakteristik des Lautsprechers kommen frequenzabhängig mehr oder weniger zusätzliche Töne zum Direktschall des Lautsprechers ans Ohr.

Frequenzabhängiger Abstrahlwinkel

Wie bereits zuvor im Kapitel Was zeichnet den Hochtonlautsprecher aus beschrieben, kann der Abstrahlwinkel mit zunehmender Frequenz halbiert werden oder umgekehrt sich mit abnehmender Frequenz vergrößern.

Im unteren Frequenzbereich von 20 bis 50 Hz (auch Tiefbass genannt mit Wellenlängen von ca. 6 bis 17 m) strahlt der Lautsprecher kugelförmig (also in alle Richtungen) ab. Dies führt dazu, dass hier nicht nur der Direktschall, sondern auch der von der rückwärtigen Wand reflektierte Schall eine bedeutende Rolle spielt.

Frequenzabhängiger Abstrahlwinkel und wandnahe Aufstellung

Werden die Lautsprecher direkt an eine reflektierende Rückwand gestellt, so wird der Bass stärker betont, als wenn der Lautsprecher von der Wand abgerückt oder sogar einige Meter entfernt steht. Dies kann dazu führen, dass der Lautsprecher wumpsig klingt.

Die ganz tiefen Töne kann man bei einem Bassreflexlautsprecher durch das Verschließ oder das Verlängern der Bassreflexöffnung in ihrer Intensität mildern. Viele Verstärker bieten über einen Bassregler an den Bass bis in den unteren Mitteltonbereich abzuschwächen. Idealer ist jedoch ein digitaler Signalprozessor, der nach belieben Abschwächungen zulässt.

Der Digital Signal Prozessor (DSP)

Der digitale Signalprozessor ermöglicht die Anpassung des Lautsprechers an die Eigenschaften des Raumes (z.B.: frequenzabhängige Reflexionen im Raum, die man korrigieren will). Heute wird er oft eingesetzt um:

  • die analoge Frequenzweiche zu ersetzen; dann werden mehrere Endverstärker benötigt, beispielsweise für Hochton, Mittelton oder Tieftonwiedergabe
  • Fehler auszugleichen, die die Lautsprecher oder der Raum aufweisen
  • aus günstigen Lautsprechern einen guten Klang zu generieren

Gerade die letzte Aufgabe: Einen billigen Lautsprecher zu einem guten Lautsprecher zu machen, funktioniert nur eingeschränkt. Der Frequenzgang des Lautsprechers kann durch einen DSP leicht korrigiert werden. Nichtlineare Verzerrungen (Klirr) oder Resonanzen (Lautsprecher schwingt nach) sind jedoch kaum zu kompensieren, falls man nicht direkt die Membran abtastet, was selten gemacht wird.

Fazit

Ein Lautsprecher sollte hochwertige Chassis enthalten (z.B.: Hochton-, Mittelton- oder Tieftonchassis oder auch einen Breitbandschallwandler). Diese müssen nicht unbedingt teuer sein, sollten aber:

  • im genutzten Frequenzbereich wenig Resonanzen zeigen
  • über einen auf die Anwendung angepassten Abstrahlwinkel verfügen
  • bei der gewünschten Lautstärke geringe nichtlineare Verzerrungen zeigen

Und dann kommt es natürlich auch auf das Geschick des Entwicklungsteams an:

  • Werden Fehler der Chassis durch die Beschaltung (Frequenzweiche) ausgeglichen?
  • Passt das Gehäuse zur Anwendung und zum Raum des Hörenden.
  • Welche Musik oder allgemeiner für welche Anwendung ist der Lautsprecher vorgesehen.

Und schließlich beim Kunden:

  • Welche Aufnahmen hat er?
  • Wie ist der Hörraum beschaffen (z.B.: ist er zu hallig?)
  • Nicht ganz so wichtig: Welche Eigenschaften hat der Verstärker, der CD-Player oder die Streaming-Quelle