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Der Lautsprecher - so funktioniert er

Eine spannende Reise vom elektrischen Strom zur klingenden Musik

Lautsprecher gibt es in allen Größen, Formen und Farben. Aber wie macht er eigentlich aus elektrischem Strom lebendige Musik in deinen Ohren? In dieser Einführung wollen wir dir den Lautsprecher in Theorie und Praxis erklären.

Ein Lautsprecher ist ein mechanisches System, ein so genannter dynamischer Wandler, der elektrische Energie in Schallenergie (kinetische Energie) umwandelt. Das heißt, er funktioniert im Prinzip wie ein umgekehrtes Mikrofon. Der Lautsprecher versetzt die Luft in Schwingungen und erzeugt Schallwellen, die deine Ohren auffangen. Der ideale Lautsprecher wandelt das elektrische Signal so präzise wie überhaupt möglich in Schall um.

Schall sind Wellen aus Energie

Schall ist der allgemeine Ausdruck für akustische Schwingungen. Diese akustischen Schwingungen – Frequenzen – werden in Hertz gemessen (Schwingungen pro Sekunde, abgekürzt Hz). Der Hörbereich eines Neugeborenen liegt bei ca. 20–20.000 Hz. Mit zunehmendem Alter nimmt das Vermögen, höchste Töne zu hören, ab – genauso wie auch das Vermögen, auf kurze Distanz scharf zu sehen. Viele Tiere können tiefere und deutlich höhere Frequenzen wahrnehmen. Bekannte Beispiele sind Hunde und Fledermäuse.

Frequenzen über 20.000 Hz werden als Ultraschall, Frequenzen unter 20 Hz als Infraschall bezeichnet. Tiefe Töne und tiefe polternde Geräusche bewegt sich im Bereich von 20–200 Hz, hochfrequenter Schall (hohe Töne, z. B. Becken und S-Laute) bei ca. 2.000 bis 20.000 Hz (2 kHz–20 kHz, Kilohertz). Zwischen den hoch- und tieffrequenten Tönen liegt der Mitteltonbereich, der auch die normale Sprache umfasst. Es ist der Bereich, in dem das menschliche Gehör am empfindlichsten ist.

Der Lautsprecher verwandelt Strom in Bewegung

Der Lautsprecher ist die Einheit, die elektrische Schwingungen aus dem Audiosystem in Schallwellen in der Luft umsetzt. Wird der Lautsprecher mit einem elektrischen Audiosignal gespeist, wird dieses in die so genannte Schwingspule geleitet, die in einem kräftigen Magnet sitzt und an der Lautsprechermembran befestigt ist. Die Magnetfelder der Schwingspule und des Magnets beeinflussen einander und bewegen die Lautsprechermembran im Takt des elektrischen Signals. Dadurch wird die Luft in Schwingungen versetzt, die deine Trommelfelle als Musik wahrnehmen.

HiFi-Lautsprecher das präzise Tonwiedergabegerät

Lautsprecher gibt es in unzähligen Größen, Typen und Materialien sowie für viele verschiedene Frequenzbereiche und Einsatzzwecke. Der am meisten verwendete Lautsprechertyp ist der dynamische „Moving Coil“-Lautsprecher, der oben abgebildet ist. Der HiFi-Lautsprecher ist in der Regel mit zwei oder mehr Chassis bestückt, um alle Frequenzen exakt wiederzugeben. In kleinen Tischradios, Fernsehern und Ähnlichem muss man sich oft mit einem kleinen Breitband-Lautsprecher begnügen.

Seriöse HiFi-Lautsprecherhersteller setzen meist alles daran, um Lautsprecher zu fertigen, die das Eingangssignal bei allen Lautstärken mit gleichmäßiger Schallverteilung so präzise wie nur möglich wiedergeben.

Tiefe und hohe Töne werden unterschiedlich abgestrahlt

Einer der Gründe für die Verwendung mehrerer Chassis in einem Lautsprecher ist die möglichst gute Schallverteilung über das gesamte Frequenzspektrum. Der Schall wird bei ansteigenden Frequenzen stärker gerichtet, weshalb Lautsprecherchassis benötigt werden, die an den spezifischen Frequenzbereich angepasst sind. Dadurch lässt sich eine gleichmäßigere Schallverteilung und zugleich präzise Klangwiedergabe erreichen. Beispiele dafür sind die Hybrid-Hochtöner von DALI und die FST-Mitteltöner von B&W.

Hohe Töne sind stark gerichtet, während tiefe Töne (niedrige Frequenzen) große Wellenlängen haben, die sich leicht durch verschiedene Materialien bewegen. Aus diesem Grund sind die Bässe aus der Nachbarwohnung gut zu hören, die hohen Töne jedoch nicht.

Die Aufstellung des Lautsprechers ist wichtig für den Klang

Die Aufstellung des Lautsprechers im Raum hat sehr großen Einfluss auf die Klangqualität. Vielleicht hast du es schon erlebt, dass du einen richtig fetten Bass erhältst, wenn du deine Lautsprecher direkt vor die Wand stellst. Die Wände reflektieren und verstärken nämlich den Schall, was auf die Klangqualität erheblichen Einfluss haben kann. Du kannst das selbst ausprobieren, indem du zuerst mitten im Raum etwas sprichst und danach in einer Ecke. Hörst du einen Unterschied im Klang?

Wie gesagt, die tiefen Frequenzen sind weniger stark gerichtet. Bässe werden in alle Richtungen, Mittel- und Hochtöne hingegen direkter abgestrahlt. Der Bassbereich kann daher in der Regel mehr Raumreflexionen aufweisen, was sich negativ auf das Klangerlebnis auswirken kann. Mittel- und Hochtöne können ebenfalls reflektiert werden, insbesondere von harten Flächen wie Holzböden, Klinker und kahlen Wänden.

Alle diese Reflexionen können Timing, Tiefe und Definition des Lautsprechers stören, was natürlich vermieden werden sollte. Aus diesem Grund werden in Tonstudios und Kinos die Wände gepolstert und die Decken mit schallschluckenden Materialien verkleidet. So wird nämlich vermieden, dass Raumreflexionen den Schall aus den Lautsprechern beeinträchtigen.

Um die Raumreflexionen zu mindern sollten die Lautsprecher daher mit einigem Abstand zu den Rück- und Seitenwänden aufgestellt werden. Einige Lautsprecher lassen sich in Richtung der Hörposition anwinkeln, um eine gleichmäßigere Frequenzabstrahlung, eine bessere Stereoperspektive und weniger frühe Reflexionen von den Seitenwänden zu erreichen.

Jeder Raum hat seine eigene Akustik, so dass es kein Patentrezept gibt, wie man seine Lautsprecher aufstellen soll. Man sollte sich daher die Zeit nehmen, um die beste Position der Lautsprecher herauszufinden. Wir empfehlen zudem nachdrücklich, sich die Hinweise des Herstellers zur Aufstellung und Einrichtung durchzulesen.

Werden die Lautsprecher in einem Regal aufgestellt oder an der Wand aufgehängt, sollten sie idealerweise in Ohrenhöhe positioniert oder zur Hörposition angewinkelt werden, um aus den Lautsprechern alles herauszuholen.

Die Chassis von unten nach oben

Die meisten Lautsprecher sind mit zwei oder mehr Chassis bestückt, um das gesamte Frequenzspektrum so exakt wie möglich abzudecken. Die Chassis bestehen in der Regel aus drei Typen: Tief-, Mittel- und Hochtöner.

Die Arbeitsbedingungen für die verschiedenen Chassistypen unterscheiden sich je nach Verwendung. In einem 2-Wege-Lautsprecher wird beispielsweise kein eigener Mitteltöner benötigt. Hier wird der Mitteltonbereich vom Tieftöner mit übernommen, wobei in einer 3-Wege-Konstruktion für diesen Bereich ein eigenes Chassis zum Einsatz kommt. Einige Lautsprecher haben nur ein Chassis für den gesamten Frequenzbereich, so genannte Breitbandchassis. Andere Konstruktionen verfügen über vier oder mehr Chassis, um den Schall besser zu verteilen oder einen höheren maximalen Schalldruck zu erreichen.

Ein kleines Kuriosum sind die englischen Bezeichnungen „Woofer“ und „Tweeter“, die der Tierwelt entlehnt sind. Der Woofer (Tieftöner) bezieht sich auf das „WOOF!“ („WAU“) des Hundes, während der Tweeter (Hochtöner) vom „Tweet, Tweet“ („Piep, Piep“) der Vögel übernommen wurde.

Der Subwoofer ein Gruß aus der Tiefe 

Der Subwoofer ist ein Speziallautsprecher, der nur die tiefsten Frequenzen des hörbaren Spektrums bedient, bei normalen Systemen typischerweise ab 200 Hz abwärts. In der Regel wird der Subwoofer in dem Bereich nur dann eingesetzt, wenn dem primären Tieftöner (Woofer) dort die Puste ausgeht. Daher der Name „Subwoofer“ – er spielt „unter“ dem Woofer.

Da der Subwoofer nur einen verhältnismäßig kleinen Bereich des Frequenzspektrums abdeckt, handelt es sich meist um eine recht simple Konstruktion mit einem Tieftonchassis in einem kompakten Gehäuse. Einige Modelle haben jedoch zwei Chassis, möglich sind auch weitere Varianten. Der Subwoofer benötigt sehr viel Leistung, um seinem kleinen Gehäuse tiefe Töne zu entlocken. Daher sind Subwoofer-Chassis sehr kräftig gebaut. Außerdem hat der Subwoofer meist einen leistungsstarken, eingebauten Verstärker mit Equalizer, um für die tiefsten Frequenzen genug Leistung zu haben. Dann sprechen wir vom aktiven Subwoofer.

Der Subwoofer kommt vor allem in Heimkinos zum Einsatz, da Multikanal-Filmton eine eigene Tieftonspur enthält. Aber er wird auch in Stereo-Systemen als Bassfundament für kleinere Lautsprecher genutzt. Der Subwoofer wird ger in einer Ecke oder dicht an der Wand aufgestellt, um Resonanzen und stehende Wellen des Raumes zu verhindern.

Der Tieftöner ein echtes Arbeitspferd

Der Tieftöner soll wie der Subwoofer die tiefsten Töne des Schallsignals wiedergeben. Der Frequenzbereich liegt jedoch höher als beim Subwoofer, da er nicht nur den Sub-Bass, sondern einen größeren Frequenzbereich wiedergeben soll. Je nach Größe und Typ liegt der Frequenzbereich eines Tieftöners bei etwa 30–600 Hz, darüber übernimmt der Mitteltöner.

Bei Lautsprechern mit drei oder mehr Wegen gibt der Tieftöner nur die tiefen Frequenzen wieder, während er in 2-Wege-Lautsprechern auch für die Mitteltöne zuständig ist – als so genannter Tiefmitteltöner. Ein solches Chassis deckt normalerweise einen Bereich von ca. 40 Hz bis 4–5 kHz ab. Dazu passt ein Hochtöner, dessen Frequenzbereich weit nach unten reicht, um sich mit dem Tieftöner zu „mischen“, damit die Mitteltöne korrekt wiedergegeben werden.

Der typische Tieftöner ist größer als der Mitteltöner, da Bässe eine größere Wellenlänge haben und mehr Energie benötigen. Grob gesagt, muss mehr Luft bewegt werden. Dafür sind eine größere Membranfläche und eine größere Auslenkung der Membran nötig.

Der Mitteltöner die Stimme in der Mitte  

Der Mitteltöner ist das Chassis, das alle Frequenzen zwischen tiefen und hohen Tönen wiedergibt, in der Regel zwischen 300–5.000 Hz. Es ist der Mitteltöner, der Stimmen und Instrumenten wie Gitarre, Violine, Snare Drum, Cello und Trompete ihre primären Grundtöne verleiht.

Im Mitteltonbereich kann das menschliche Gehör am ehesten Verzerrungen und Abweichungen von der natürlichen Wiedergabe feststellen. Daher benutzt man oft ein dediziertes Chassis, das ausschließlich Mitteltöne mit sehr geringer Verzerrung wiedergibt. Ein Beispiel ist das einzigartige, „sickenlose“ FST-Chassis von B&W, das hier abgebildet ist.

Der Hochtöner Luft und Details

Der Hochtöner übernimmt die höchsten Frequenzen des Schallsignals von etwa 2–20 kHz, meist aber weitaus höher. Im Extremfall sogar bis ungefähr 70 kHz, wie bei B&Ws kostbarer Diamantkalotte. Die am häufigsten verwendeten Hochtönertypen sind Dome-Kalotten, deren Membran entweder aus Gewebe (Soft-Dome), wie in DALI-Lautsprechern, oder aus Metall ist – wie in vielen B&W-Modellen.

Aufbrechen und Verzerrung Feinde des reinen Klangs

Eine Dome-Kalotte soll im Idealfall wie ein perfekter Stempel funktionieren, der sich in seiner Gänze vor- und zurückbewegt. Kann das Chassis nicht mehr seine Form beibehalten, beginnt es aufzubrechen (gegenphasige Bewegungen zur ansteuernden Spule). Damit ist die so genannte Aufbrechfrequenz des Chassis erreicht, was zahlreiche Verzerrungen verursacht, vor allem, wenn das Aufbrechen im hörbaren Bereich (20–30 kHz) erfolgt.

Die Hersteller gehen viele verschiedene Wege, um ein Aufbrechen zu verhindern. Einige Dome-Kalotten sind speziell versteift (wie in der B&W Serie 600 S2) oder es werden exotische Materialien, wie Titan, Beryllium oder Diamanten (wie in der B&W Serie 800 D3) verwendet. Alles nur, um Aufbrechen und Verzerrungen weit aus dem hörbaren Bereich zu verdrängen und so eine reinere und präzisere Hochtonwiedergabe zu erreichen.

DALI zum Beispiel setzt mit seinen Hybrid-Hochtönern auf eine andere Lösung, die aus einer Kombination aus Soft-Dome und Bändchenhochtöner besteht. Letzterer hat den Vorteil, dass er außerordentlich leicht anzutreiben ist und sehr responsiv auf schwache Signale reagiert. Er kann zudem sehr schnell und dabei verzerrungsfrei schwingen und den Schall auch bei ansteigender Frequenz sehr breit streuen.

Und das, obwohl die Streuung des Schalls bei Dome-Kalotten problematisch ist, da bei ansteigender Frequenz die Streuung abnimmt. Dafür reicht eine Dome-Kalotte im Frequenzbereich regelmäßig tiefer als ein Bändchenhochtöner. Hybrid-Hochtöner vereinen viele Vorteile beider Typen. Erkauft werden diese durch eine komplexere Konstruktion als bei einem Einzelchassis.

Breitband- und Koaxial-Chassis

Breitbandlautsprecher sollen das gesamte Frequenzspektrum mit einem einzigen Chassis abdecken. Diese Chassis werden oft in kleinen Tischradios oder Fernsehern eingesetzt, sind aber auch bei einigen HiFi-Enthusiasten sehr beliebt. Sie kommen ohne Frequenzweiche aus, sind jedoch typischerweise sehr klein, um auch hohe Töne spielen zu können. Deshalb haben sie Probleme mit tiefen Tönen und großer Lautstärke.

Manche Musikfans sind der Überzeugung, dass man mit solchen Lautsprechern und ohne Frequenzweiche einen dynamischeren, homogeneren und unverzerrteren Klang erhält, da sich Timing und Phase mit nur einem Chassis leichter steuern lassen. Es gibt zahlreiche so genannte Koaxial-Konstruktionen, bei denen Mittel- und Hochtöner auf unterschiedliche Weise in einem Chassis verbaut werden, um den ganzen Frequenzbereich abzudecken. Diese Lautsprecher sind beispielsweise in der professionellen Audiowelt und im Car-Audio zu finden.

Die Frequenzweiche verteilt das Audiosignal

Die Frequenzweiche ist die Lautsprechereinheit, die das Signal vom Verstärker aufteilt und an die einzelnen Chassis sendet. Die tiefen Töne werden zum Tieftöner, die hohen zum Hochtöner geleitet. Normalerweise sind die Chassis darauf beschränkt, einen bestimmten Frequenzbereich zu spielen und die Frequenzweiche sorgt dafür, dass nur die Frequenzbereiche in die unterschiedlichen Chassis geleitet werden, die dafür konzipiert wurden. Der Rest wird herausgefiltert, so dass die Chassis optimal spielen.

Normalerweise bestehen die Frequenzweichen aus drei Arten elektrischer Komponenten: Spulen, Kondensatoren und Widerständen. Die Spule (L) lässt die tiefen Frequenzen durch und blockiert die hohen Frequenzen. Der Kondensator (C) lässt die hohen Frequenzen durch und blockiert die tiefen Frequenzen. Der Widerstand (R) wird zur Steuerung der Impedanz (Wechselstromwiderstand) und zur Dämpfung des Signals eingesetzt. Die Frequenzweiche besteht aus einer Kombination der unterschiedlichen Komponenten. 

Die Entwicklung einer Frequenzweiche ist eine Wissenschaft für sich, denn die gegenseitigen Werte, die Lautsprechereinheiten und sogar das Lautsprecherkabel beeinflussen die Wirkung der Weiche.

Das Gehäuse

In den allermeisten Lautsprechern sind die Lautsprecherchassis in ein Gehäuse eingebaut. Das Gehäuse hält nicht nur die Chassis und platziert sie in bestimmten Abständen zu einander, sondern verhindert auch, dass der von der Rückseite der Lautsprecherchassis abgestrahlte Klang sich mit dem nach vorne abgegebenen Klang vermischt. Denn das kann eine Abschwächung und damit eine extrem negative Beeinflussung der Lautstärke und der Qualität der tieferen Frequenzen bedeuten.

Dämpfung und Design

Der Schalldruck ist im Lautsprechergehäuse genauso hoch wie außerhalb. Ein erheblicher Teil dieses „inneren Klangs“ wird im Gehäuse reflektiert. Das kann dazu führen, dass das Gehäuse „mitsingt“ und den Klang verzerrt. Der reflektierte Klang kann auch durch die Lautsprechermembran zurückgestrahlt werden, was den Klang ganz erheblich verzerren kann.

Diese Verzerrung kann durch eine Dämpfung der Gehäuseinnenseite mit Schaumstoff oder einem anderen schallabsorbierenden Material reduziert werden. Man kann das Gehäuse auch auf unterschiedliche Weise versteifen und ausformen, so dass die interne Reflexion reduziert wird. Das ist beispielsweise bei einigen der großen Modelle von B&W der Fall.

Geschlossen und Bassreflex Vor- und Nachteile

Lautsprechergehäuse gibt es in ganz unterschiedlichen Formen. Im HiFi-Bereich werden geschlossene Gehäuse und Bassreflex-Konstruktionen am häufigsten verwendet.

Das geschlossene Gehäuse ist einfach zu konstruieren und hat den Vorteil, dass das „roll-up“ im Bassbereich einigermaßen die umgekehrte Kurve des Boost aufweist, den viele Räume im Bassbereich geben. Daher erreicht man mit einem geschlossenen, dicht an der Wand stehenden Gehäuse häufig ein gutes Ergebnis und kleine Lautsprecher können auch mit einem kleinen Gehäuse den Bass gut wiedergeben. Normalerweise ist die Impulsantwort in einem geschlossenen Gehäuse sehr gut. Zu den Minuspunkten der geschlossenen Konstruktion gehört, dass sie oft recht ineffektiv ist und mehr Leistung vom Verstärker fordert.

In ein Bassreflex-Gehäuse wird zusammen mit den Chassis ein Ausgang oder Rohr im Gehäuse montiert. Der Ausgang ist darauf abgestimmt – „getunt“ – bei einer bestimmten Frequenz mitzuschwingen. So wird bewirkt, dass der Ausgang „mitsingt“ und entweder einen bestimmten Bassbereich unterstützt oder dazu beiträgt, dass der Lautsprecher den Bass besser wiedergibt.

Der Ausgang kann auch zur Abstimmung der Chassis im Gehäuse mit beitragen. Das ist die effizientere Art einer Gehäusekonstruktion, die auch am häufigsten verwendet wird. Jedoch hat der Bassreflex den Nachteil, dass, wenn die Resonanzfrequenz des Ausgangs der des Raumes zu ähnlich ist, man eine kräftige und unkontrollierbare Resonanz erhält, die den Klang beeinträchtigen kann.

Ein weiterer Nachteil des Bassreflexes ist, dass bei hohem Schalldruck ein so genanntes Störgeräusch von dem Luftstrom im Bassreflexausgang entsteht, als würde man über eine Flaschenöffnung blasen. Zur Beseitigung des Störgeräusches hat B&W seine Flowport-Technologie entwickelt, die den Luftwiderstand im Ausgang mindert und somit weniger Turbulenzen erzeugt.

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