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Lautsprecher

Ein Lautsprecher ist ein elektromechanischer Wandler, der tonfrequente elektrische Signale in Schall wandelt.

Lautsprecher werden in verschiedenen Größen, Ausführungen und Qualitäten gebaut. Die zu verwendende Größe des Lautsprechers ist abhängig von den zu übertragenden Frequenzen - je höher die Frequenzen, desto kleiner der Lautsprecher. Verwendet werden Lautsprecher in der Regel in Lautsprecherboxen, Radios, Fernsehern, Funkempfängern, Handsprechfunkgeräten, Messempfängern, Mobiltelefonen und Kopfhörern. Wobei in „Boxen“ mit verschiedenen Lautsprechergrößen die Zuteilung der Frequenzen an die einzelnen Lautsprecher über Frequenzweichen geschieht.

Lautsprecher werden auch Chassis oder Treiber genannt, obwohl diese Begriffe eigentlich nur bestimmte Teile von Lautsprechern bezeichnen, nämlich den sogenannten Korb und den Membranantrieb. Auch der Oberbegriff Schallwandler und der Anglizismus Speaker sind gebräuchlich.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte des Lautsprechers

Bereits am 26. Oktober 1861 stellte der Volksschullehrer Philipp Reis das von ihm erfundene Telefon beim Physikalischen Verein in Frankfurt vor. Es gelang ihm aber nicht, seiner Umwelt die Bedeutung seiner Erfindung zu vermitteln. Als um 1870 Thomas Alva Edison die ersten Experimente mit seinem Phonographen durchführte und Alexander Graham Bell – nach eigenem Bekunden – auf der Erfindung von Reis aufbauend das Telefon zur Marktreife weiterentwickelte, ahnte wohl keiner der Beteiligten, dass die 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 Lautsprecher von Thomas Alva Edison und Emile Berliner kamen noch ohne elektrischen Strom aus. Werner von Siemens hat 1878 ein Patent für den noch heute gebräuchlichen elektrodynamischen Lautsprecher erhalten. Diese Konstruktion war schon sehr ausgereift, mit feststehendem (Hufeisen-)Magnet, beweglicher Schwingspule und beweglicher NAWI-Membran. Sein Pech war das Fehlen geeigneter Verstärker. Als Begründer der modernen Lautsprecher gilt in England 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 Lautsprechersysteme 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 (Kennschalldruck), 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 Engländer 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 Metallen der Seltenen Erden, die ab 1945 die Lautsprecher mit Feldspule auf breiter Front verdrängten.

Die Ära des modernen Lautsprechers beginnt mit den Arbeiten des Australiers Albert Neville Thiele und des US-Amerikaners Richard H. Small, die ab 1951 die Wechselwirkungen zwischen dem Lautsprecher und seinem Gehäuse auf eine theoretisch fundierte Grundlage stellten (Thiele-Small-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.

Den für die Analyse und Simulation direktstrahlender Lautsprecher wesentlichen Beiträgen von Thiele und Small gingen zahlreiche theoretische Abhandlungen über akustische Elemente voraus, von den vor allem Elements of Acoustical Engineering (1940) von Harry F. Olson zu nennen ist.

Neuere Entwicklungen gehen hin zu einer anderen Generation von Lautsprechern. 1978 gründete Jon Dahlquist mit der Unterstützung von Saul B. Marantz die Firma Dahlquist die erste Lautsprecher ohne Gehäuse und Simulation von Flächen aus phasenrichtigem Array von Wandlern präsentierte. Stanley Marquiss – der die Firma ESS gegründet hatte – ging noch weiter und präsentierte den ersten wirklich flachen Lautsprecher zur Aufbringung auf die Wand 1983. Zwei digitale Versionen wurden 1986 von Werner Eymann – auf Basis sinnesphysiologischer Erkenntnisse – mit der Unterstützung von Prof. Manfred Krause realisiert. Weitere Systeme entstanden: Distributed Mode und Sound-Projektoren.

Grundprinzip

Zur Wandlung elektrischer Energie in Schallwellen werden fast ausnahmslos Membranen (meist: flach trichterförmige, konzentrisch zulaufende dünne Pappe o.ä. mit ringförmigem Wulst am äußeren Rand und flachkugelig nach außen gewölbtem Zentrum) in mechanische Schwingungen versetzt. In den meisten Fällen sollen diese als Kolbenstrahler wirken, die Membran soll also ganzflächig und gleichmäßig bewegt werden. Dieses ist im allgemeinen nur bei - im Verhältnis zur Membranfläche - tiefen Frequenzen zu erreichen. Alle Membranen brechen bei höheren Frequenzen in Teilgebiete auf, die sich gegensinnig bewegen, dabei entstehen notwendig Knotenlinien, auf denen sich die Membran gar nicht bewegt. Im allgemeinen setzt dieses Phänomen der Partialschwingungen eine obere Frequenzgrenze für die Nutzung der Membran, da dann Bündelungs- und Resonanzerscheinungen überhand nehmen. Durch gezielte Werkstoffauswahl (weiche Polymere) können Membranen eine hohe innere Dämpfung aufweisen, die die Partialschwingungen erfolgreich niederhalten, so dass die obere Frequenzgrenze eher durch die geometrisch bedingte Bündelung des Schalls oder durch Gegebenheiten des Antriebs bestimmt wird. Dies geht auf Kosten des Wirkungsgrades und evtl. auch des Klirrverhaltens. Meist bedingt hoher Wirkungsgrad harte Membranen und dadurch mehr Partialschwingungsprobleme.

Die Abstrahlung von Schallwellen ist intuitiv schwer zu erfassen und wird meist falsch verstanden. Sie hat zwei Anteile. Es kommt zuerst dabei nicht auf die sichtbare oder fühlbare Membranauslenkung an, sondern auf die Membranschnelle, also die Momentangeschwindigkeit. Der Strahlungswiderstand ist zweitens dafür verantwortlich, dass die Membranschnelle in eine Druckwelle umgesetzt wird. Dieser Widerstand ist abhängig von der Membranform und Größe, sowie der Frequenz und dem Medium (meist Luft). Er hat stets den Wert 0 bei der Frequenz 0 Hz und steigt bis auf einen von Form und Größe der Membran vorgegeben Grenzwert an, mit einigem Überschwingen. Beim klassischen Problem des Kolbenstrahlers in unendlicher Schallwand im allseits unendlich großen Raum ist der Strahlungswiderstand bis zum Grenzwert proportional zur Frequenz. Dies sollte ein stark höhenbetontes Klangbild zur Folge haben. Es ist bei fast allen Strahlern aber so, dass die aufgebrachte mechanische Kraft für höhere Frequenzen konstant ist und damit nach Newton auch die Beschleunigung. Dies bedingt, dass die Schnelle umgekehrt proportional zur Frequenz ist. Dies kompensiert genau das Ansteigen des Strahlungswiderstandes. Bei den meisten Strahlern gibt es also ohne weiteres Zutun einen Bereich, in dem die abgestrahlte Leistung unabhängig von der Frequenz ist und dieser wird folglich zum Hauptarbeitsbereich gewählt.

Das Beispiel mit unendlicher Schallwand zeigt, dass eine analytisch mathematische Behandlung nur in einfachen Modellfällen möglich ist. Mehrere Membranen, oder Resonatoren interagieren miteinander und den Strukturelementen von Räumen, dies verändert auch den Strahlungswiderstand. Man kann sich den Strahlungswiderstand auch vorstellen als zusammengefasste Rückwirkung des Strahlungsfeldes auf den Strahler.

Bei Direktstrahlern, die nur Membranen beinhalten, sind die Kräfte, mit denen das Strahlungsfeld auf die Membran zurückwirkt gegenüber der Antriebskraft, der Massenträgheit und den elastischen Federkräften vernachlässigbar. Die Bewegung der Membran ist also praktisch unabhängig vom barometrischen Gleich-Luftdruck, bis hin zum Vakuum. Elektrische und mechanische Messungen an Chassis sind somit im Freifeld vergleichbar mit solchen im Hallraum. Die Berechnung der Zusammenschaltung mehrerer Membranen zu einem Feld kann daher durch einfache, rückwirkungsfreie Überlagerung der Einzelcharakteristiken erfolgen.

Der Einsatz von akustischen Resonatoren oder Transformatoren (Hörnern) ändert punktuell oder breitbandig die Ankopplung der Membran an das Strahlungsfeld, und zwar drastisch. Die Kräfte des Strahlunsgsfeldes auf die Membran sind nicht länger vernachlässigbar. Die Zusammenschaltung ist in diesem Fall nicht rückwirkungsfrei und auch die anderen Vereinfachungen gelten nicht mehr.

Grundsätzliche Limitationen

Eine unüberwindliche Ursache für Klangverfälschungen ist der Hörraum selbst. Selbst wenn der Schallwandler ohne jeden Fehler ideal funktionierte, so werden die von den Wänden zurückgeworfenen Schallwellen in komplizierter Weise mit dem Direktschall überlagert.

Das folgende Beispiel soll dies illustrieren. Ein Kugelstrahler besteht aus einer kugelförmigen Membran, die sich mit geeigneter Schnelle bewegt, indem der Radius der Kugel größer oder kleiner wird (atmende Kugel). Es entstehen Kugelwellen. Somit ergibt sich für alle Frequenzen eine gleichmäßige Übertragung in alle Richtungen. Im echoarmen Raum (im Beispiel zweidimensional mit 4 m Länge und 2.5 m Höhe, der Schalldruck ist in Dezibel angegeben, wobei auf der Kugeloberfläche 0 dB angenommen wird, -6 Dezibel bedeutet halber Schalldruck, entsprechend -20 dB ein Zehntel, -40 dB ein Hundertstel) entsteht so ein gleichmäßiges Schallfeld an allen Orten und für alle Frequenzen (echoarm heißt:an Boden, Decke und Wänden sind bis zu 17 m lange Absorberkeile, durch Teppiche, Vorhänge und Möbel wird ein Raum nicht echoarm). Durch die fehlenden Reflexionen sinkt der Schalldruck schnell mit dem Abstand von der Quelle.

Das nächste Beispiel, zeigt dieselbe Situation, allerdings ist nun der Boden und die linke Wand vollständig reflektierend, was für Betonwände bei niedrigen Frequenzen anzunehmen ist. Für verschiedene Frequenzen ergeben sich an verschiedenen Orten Auslöschungen, man kann dort bestimmte Töne nur sehr leise hören.

Das nächste Beispiel zeigt dieselbe Situation, allerdings sind nun beide Wände, der Boden und die Decke reflektierend. Zusätzlich zum Direkschall treten also vier reflektierte Komponenten auf.

Im nächsten Beispiel sind auch Reflexionen zweiter Ordnung berücksichtigt, also der Rückwurf bereits reflektierter Wellen. Der Unterschied zum vorhergehenden Bild ist gering.

Die Beispiele sind stark vereinfacht (nur zwei Dimensionen, keine Absorption und Transmission an den Wänden, keine Frequenzabhängigkeit), zeigen jedoch, dass in normalen Räumen im Mittel der Schall durch die Reflexionen viel stärker ist als im Freifeld, dass allerdings auch starke Verfälschungen auftreten.

Das nächste Diagramm zeigt den Amplitudenfrequenzgang für den letzten Fall und für 20 bis 4000 Hz an zwei Orten, (3,1.5) und (3.5,1.8). Man sieht, dass bestimmte Frequenzen stark gedämpft übertragen werden und das ein sehr unregelmäßiges Verhalten auftritt. An zwei leicht verschiedenen Orten ergeben sich stark unterschiedliech Ergebnisse.

Das letzte Diagramm zeigt die Gruppenlaufzeit für den letzten Fall und für 20 bis 4000 Hz an zwei Orten, (3,1.5) und (3.5,1.8). Man sieht, dass ein extrem unregelmäßiges Verhalten auftritt. (Es treten rechnerisch auch negative Laufzeiten auf, dies wäre akausal. Es ist mehr als fraglich, ob für solche Frequenzgänge der Begriff der Gruppenlaufzeit noch einen Sinn hat. Siehe Diskussion dort).

Amplitudenfrequenzgang und Gruppenlaufzeit sind in normalen Räumen also drastisch schlechter, als selbst qualitativ minderwertige Lautsprecher im echoarmen Raum.

Es nützt nichts, statt der kugelförmigen Wiedergabe auf eine gerichtete Wiedergabe zu wechseln. Damit ergeben sich nur neue Probleme, weil der Versuch der Schallbündelung bei tiefen Frequenzen immer zu einer Kugelcharakteristik führt, dann die Bündelung bei mittleren Frequenzen mehr und mehr zunimmt und bei hohen in mehrere Strahlen aufbricht. Die Überlagerungsmuster werden nur komplizierter. Für einen bestimmten Punkt im Raum könnten die Verfälschungen durch inverse Filterung beseitigt werden. Allerdings werden die Probleme wenige Zentimeter daneben nicht besser, sondern eher schlimmer. Damit ist auch klar, dass das Schallfeld eines Aufnahmeraumes auf keinen Fall im normalen Hörraum reproduziert werden kann. Es ist damit auch klar, dass Optimierungen des Frequenzganges im echoarmen Raum im Falle des normalen Hörraumes relativ uninteressant sind, wenn nicht gerade pathologische Fälle vorliegen.

Es sei erwähnt, dass diese Effekte auch bei anderen Schallquellen auftreten, etwa bei einem Sprecher oder einem Musikinstrument an Stelle des Lautsprechers. Die Verfälschungen sind immer vorhanden und gehören zur Alltagserfahrung, es ist kein Zufall, das das Gehör unempfindlich gegenüber solchen schmalbandigen Pegeleinbrüchen ist.

Antriebsformen

Schallwandler können auf unterschiedliche Weise angetrieben werden. Die überwiegende Bauform ist dabei der elektrodynamische Lautsprecher mit zentralem Antrieb.

Elektrostatische und magnetostatische Lautsprecher werden auf Grund der großen strahlenden Flächen auch als Flächenstrahler bezeichnet. Deren Merkmale sind die bipolare Abstrahlung sowie hohe Bündlungsfaktoren schon bei mittleren Frequenzen.

Elektrodynamischer Lautsprecher

Bei elektrodynamischen Lautsprechern wird die Membran durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und einem magnetischen Gleichfeld angetrieben.

Elektrodynamische Lautsprecher nutzen als Kraftquelle die Lorentzkraft aus. Dazu bedarf es eines möglichst konstanten Statorfeldes, meistens durch einen Permanentmagneten gebildet, mit der magnetischen Induktion und einer Leiterschleife der Länge , durch die der elektrische Strom fließt (Achtung: l und I nicht verwechseln!)

Dabei entsteht eine Kraft von

Um den Betrag der Kraft zu maximieren, müssen die beiden Größen und orthogonal (senkrecht) aufeinander stehen und die Stromstärke maximal sein. ist eine wichtige Konstante, sie beschreibt das Umsetzungsverhältnis von Strom in Kraft, häufig als Bl bezeichnet.

Der klassische elektrodynamische Lautsprecher hat eine zentrale Schwingspule. Andere Formen arbeiten mit dezentralen Antrieben. Diese werden als Magnetostaten bezeichnet und sind eine Form von Flächenstrahlern.

Eine stromdurchflossene Spule (Schwingspule, engl. Voice coil) befindet sich im magnetischen Gleichfeld eines Permanentmagneten (oder bei älteren Radios eines Elektromagneten). Als Dauermagnetmaterial werden Ferrite, Aluminium-Nickel-Kobalt (Alnico) oder Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) eingesetzt. „Neodym“-Magnete zeichnet sich durch eine extrem hohe Feldstärke bei kleinen Abmessungen aus, allerdings beträgt die Curietemperatur nur 200 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur wird der Magnet entmagnetisiert und der Lautsprecher unbrauchbar. Schon 100 Grad Celsius verringern das Magnetfeld von Neodymium dauerhaft. Daher ist Neodymium nur begrenzt und nur mit spezieller Kühlung für hochwertige Lautsprecher einsetzbar.

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). Leitet man einen Wechselstrom durch die Spule, wird durch die Lorentzkraft eine Kraft auf die Membran ausgeübt, die diese zum Schwingen veranlasst. Spule und Membran können sich im Magnetfeld vorzugsweise in der Richtung senkrecht zum Feldverlauf 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. Sicken wurden zeitweise aus nicht alterungsbeständigem Kunststoff hergestellt und können nach 10-20 Jahren zerfallen. Frühe Lautsprecher hatten in Konusmitte geklebt ein flaches, gestanztes Kartonblättchen, das zentral vor dem Magnet angeschraubt und wegen dessen drei (oder mehr) gewinkelter Arme Zentrier-Spinne genannt wurde.

Magnetostatischer Lautsprecher

Magnetostaten sind 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.

Sie finden sich 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(-gehäuse)) bei z. B. Magnepan bzw. Vollbereichsmagnetostaten mit zusätzlichem Subwoofer für die ganz tiefen Frequenzen.

Bändchen-Magnetostaten

Als Membranmaterial findet bei Bändchen meistens 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 es zum Erreichen einer breiteren Abstrahlung unter gleichzeitiger Reduzierung von Boden- und Deckenreflexionen deutlich höher als breit (Hochtöner 25 mm × 80 mm, Mitteltöner 60 mm × 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 elektrischem 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 Frequenzgang führt. == Blick von oben (# Magnetmaterial, N Nordpol, S Südpol, – Bändchen)

Eintaktaufbau
#### ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## ####    Magnet mit akustischen Durchbrüchen
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####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). Daher 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 Kunststofffolie, 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, an denen schon die Landung einer Stubenfliege Schäden verursachen kann. Allerdings gibt es häufig Probleme mit der Dauerhaftigkeit der Verbindung der Leiterbahnen mit der Folie.

Air-Motion-Transformer (AMT)

Er wird in spezieller Form auch JET-Strahler genannt und wurde von dem deutschen Physiker Dr. Oskar Heil erdacht. Er kommt bis heute in verschiedenen Versionen bei einigen Herstellern zu Verwendung, wegen seines konstruktiven Aufwandes eher im hochpreisigen Bereich.

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
SSSSSS SSS SS S   S SS SSS SSSSSS    geblechte Pole mit akustischen Durchbrüchen
###  +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+  ###
###  o x o x o x o x o x o x  ###    gefaltete Membran mit Alu-Mäander
###--+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +--###
NNNNNN NNN NN N   N NN NNN NNNNNN    Typ Heil AMT

4-Pi-Strahler

Rotationssymmetrisch, vertikaler Schnitt durch die Achse (# Magnetmaterial, N Nordpol, S Südpol, +-+ Membran, ox Leiterbahnen)

          Symmetrieachse
               |
           #########
     #####################
   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, das 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. Ein

SS   NN   SS   NN   SS   NN   SS   NN   SS   NN   SS    Magnet mit akustischen Durchbrüchen
NN-x-SS-o-NN-x-SS-o-NN-x-SS-o-NN-x-SS-o-NN-x-SS-o-NN    Membran mit Alu-Mäander

verringert zwar diese Inhomogenitäten, aber der nun große Abstand zwischen den einzelnen Bahnen führt in der Praxis schon im Präsenzbereich zu starken Partialschwingungen.

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

Elektrostatische Lautsprecher nutzen nicht die Lorentzkraft (), sondern die elektrostatische Anziehungskraft (, ). Wie man sieht, ist die Kraft nicht linear zum Strom, sondern quadratisch zur Spannung. Zum Erreichen einer brauchbaren Wiedergabe ist damit eine Vorspannung notwendig. Die Vorspannung führt dazu, dass Eintaktlösungen durch Ruhekräfte instabil sind. Daher sind nur Gegentaktlösungen machbar. Weiterhin weisen Kraft und Feld in die gleiche Richtung, was zu einer einzigen Lösung führt:

= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =  feste, mechanisch stabile Gitterelektrode 1
---------------------------------------------  dünne, schwingfähige, elektrisch leitfähige Membran
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =  feste, mechanisch stabile Gitterelektrode 2

Die Ansteuerung erfolgt folgendermaßen: Die beiden Gitterelektroden werden vorgespannt (z. B. mit +2000 V und −2000 V, meistens 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:

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, Ub = 1000 V, d = 4 mm, A = 1,5 m 0,4 m = 0,6 m² führen zu gerademal F = 2,6 N. Der Kennschalldruck von Elektrostaten (ohne Horn), meistens unrichtig Wirkungsgrad genannt, ist 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 Kennschalldruck 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 Schwingungsamplitude weiter erhöht.

Die Schallabstrahlung erfolgt bei Elektrostaten prinzipbedingt relativ stark gerichtet, d. h. bei einer Stereoaufstellung entsteht ein sehr schmaler Bereich des optimalen Hörens (auch „Sweetspot“ genannt).

Durch entsprechende Konstruktionen wird versucht, diesem Phänomen zu begegnen:

Eine Basswiedergabe erfordert unverhältnismäßig große Elektrostatenflächen, daher ist dieses Wandlerprinzip für die Basswiedergabe nicht sonderlich geeignet und wird häufig im Bass von zusätzlichen elektrodynamischen Wandlern unterstützt.

Ferroelektrischer Lautsprecher

Ferroelektrische Lautsprecher (häufig nicht ganz zutreffend Piezolautsprecher oder kurz „Piezo“ genannt) 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 dieses sich im Rhythmus der Spannung zu verformen. Diese Verformungen des Ferroelektrikums 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 aus Masse und Elastizität des Ferroelektrikums resultierende Resonanzfrequenz begrenzt den Arbeitsbereich nach unten. Daher haben Ferroelektrische Lautsprecher oft eine eingebaute 6 dB-Weiche. Piezolautsprecher kann man jedoch auch ohne eine solche Weiche betreiben, wenn die Spanungsfestigkeit nicht überschritten wird – tiefe Frequenzen führen nur zu einer geringen thermischen und mechanischen Belastung sowie Schallabstrahlung.

Typische Ferroelektrische Lautsprecher haben Resonanzfrequenzen im Bereich zwischen 1 und 5 kHz, für Ultraschallanwendungen auch bis 100 kHz. Daher kann diese Lautsprecherart nur für den Mittel-Hochtonbereich (0,5…100 kHz) verwendet werden.

Aufgrund zahlreicher Resonanzmoden von ferroelektrischen Lautsprechern und ihrer geringen inneren Dämpfung sind diese für Hifi-Anwendungen ungeeignet.

Für die maximale Belastbarkeit gibt es drei begrenzende Faktoren:

Elektromagnetischer Lautsprecher

Elektromagnetische Lautsprecher wurden häufig in der Anfangszeit der Audiotechnik verwendet. Es wird entweder eine Eisen-Membran bewegt, die den Schall direkt abstrahlt (siehe Skizze), oder ein von einer Spule umschlossener Eisenstab schwingt vor dem Luftspalt eines Dauermagneten und ist mit einer Papiermembran verbunden. Solche Lautsprecher werden heute nicht mehr gebaut. 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 Konstruktionen sind:

Dieses Prinzip wird auch bei magnetischen Mikrofonen und elektromagnetischen Kopfhörern (beide veraltet), sowie in Telefon-Sprechmuscheln verwendet. Das umgekehrte Prinzip wird bei elektromagnetischen (Moving Iron-) Schallplattenabtastern (MI) dagegen noch verwendet.

Plasmahochtöner

Beim Ionenlautsprecher oder Plasmahochtöner (Plasmatweeter, Ionenhochtöner) wird die physikalische Eigenschaft der Luft genutzt, sich beim Erwärmen auszudehnen. Dazu wird mit einem Hochspannungsverstärker zwischen einer Messing-Anode und einer Messing-Kathode in einem Glasröhrchen ein leuchtendes Luftplasma erzeugt, dessen Volumen sich im Takt der Musik verändert. Es werden auch Ionen-Hochtöner gebaut, die mit Hochfrequenz arbeiten, die Entladung wird von einer Wolframspitze direkt an die Umgebungsluft abgegeben. Der Ionenhochtöner für sich kommt theoretisch dem idealen Hochtonschallwandler sehr nahe, da seine Membran (Luft) so gut wie massefrei arbeitet und bei ihm auch keine Partialschwingungen (Verbiegungen) auftreten können, die zu den klanglichen Verfärbungen normaler Membranmaterialien führen. Ausgeführt ist der Hochtöner entweder als Rundstrahler (Magnat, entwickelt vom Physiker Dr. Siegfried Klein) oder mit einem Hornvorsatz für einen höheren Schalldruck (Version Corona usw.)

Der Ionenlautsprecher erzeugt keine Vor- und Nachschwinger. Der lineare Frequenzgang ist messbar von 5000 Hz bis 100.000 Hz (weiter gehen die üblichen Messmikrofone nicht; Schätzungen gehen bis 800.000 Hz). In der Praxis ist es allerdings schwierig, diesen Hochtöner mit derzeit verfügbaren Mittel- und Tieftonsystemen dergestalt zu kombinieren, dass ein homogenes und annähernd natürliches Klangbild entsteht. Problematisch an dieser Schallwandlungsmethode ist weiterhin, dass durch das starke, ionisierende Feld größere Mengen Stickoxide erzeugt werden, die in Wechselwirkung mit dem Luftsauerstoff Ozon bilden. Durch den Einsatz von Katalysatoren in modernen Konstruktionen lässt sich die bei älteren Systemen deutliche Geruchsbelästigung inzwischen fast vollständig vermeiden. Gesundheitliche Schäden – auch bei längerem Betrieb – sind dabei nicht zu erwarten.

Ultraschalllautsprecher

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

Biegewellenwandler

Ein etwas anderes Funktionsprinzip haben die Biegewellenwandler etwa nach Josef W. Manger oder Walsh.

Der Manger Schallwandler (kurz auch Mangerwandler) besitzt eine Membran, die im Gegensatz zu anderen Lautsprechern eben nicht besonders steif sein muss, sondern biegeweich ist. Die Wellen breiten sich darum auf ihr wie auf einer Wasseroberfläche aus (Oberflächenwelle). Die Anregung der Membran erfolgt elektrodynamisch durch eine Spule. Durch den von ihr erzeugten mechanischen Impuls breiten sich Wellen frequenzabhängig von der Stelle der Anregung in der Mitte konzentrisch zum Absorber am Rand aus. Die Membran selbst sollte mit ihrem Wellenwiderstand mechanisch abgeschlossen sein, sodass keine Reflexionen am Rand entstehen. Bei der derzeit einzigen kommerziellen Realisierung des Mangerwandlers gelingt dies jedoch nicht ganz, sodass sich stehende Wellen ausbilden. Bei betroffenen Frequenzen ist die Abstrahlung gestört. An der unteren Grenzfrequenz von etwa 120 Hz geht die in sich schwingende Bewegung der Membran aufgrund der größer werdenden Wellenlänge langsam in eine Hubbewegung der gesamten Membran über. Dabei wechselt die Form der Membran zwischen einem nach unten zeigendem Konus, über die Form einer ebenen Platte bis zu einem nach oben zeigenden Konus, und wieder zurück. Daraus resultiert ein starker Anstieg ungeradzahliger harmonischer Verzerrungen und vor allem der Intermodulationen.

Beim System nach Walsh breiten sich die Biegewellen auf einem Konus aus, ausgehend von der Magnetspulen bis hin zur Einspannung. Dieses Prinzip legt eine biegesteife Membran, wie z. B. Titan, zugrunde.

Beide Prinzipien sind breitbandig und arbeiten kontrolliert mit Partialschwingungen innerhalb der Membran. Die maximalen Pegel sind allerdings recht gering und damit einhergehend bereiten Verzerrungen bei höheren Pegeln Probleme, da die Biegeschwingungen bei großen Amplituden nichtlinear werden und Harmonische erzeugen.

Eine mathematisch computerunterstützt weiterentwickelte Variante des Biegewellenwandlers ist der Distributed Mode Loudspeaker (DML). Neu ist, dass die Partialschwingungen nicht mehr als regelmäßige Muster vorausberechnet werden. Stattdessen wird versucht, solche Materialien und Formen zu finden, die möglichst irreguläre, chaotische Partialschwingungen zeigen. Die von solchen Schwingern ausgehende Schallabstrahlung wird mit statistischen Methoden geplant. In der Konstruktion werden steife, leichte Platten verwendet, die von sogenannten Excitern angeregt werden. Als Synonyme sind „Flachlautsprecher“, engl. „Panels“ oder nach einem Patenthalter auch „NXT-Lautsprecher“ in Gebrauch. Die kommerzielle Anwendung erstreckt sich von lautstarkem Public Address über Heim Phono bis zu schallaktiven Displays von Mobiltelefonen. Je nach Konstruktionsaufwand ermöglicht das Prinzip eine in allen Kriterien auch objektiv hervorragende Wiedergabe.

Bauformen

Neben der durch die Antriebsart bedingten Bauformen unterscheiden sich die Lautsprecherchassis in rückwärtig in die Schallwand einzubauende Systeme und solche für Frontmontage. Da die Systeme für Frontmontage ohne eine – bei höheren Frequenzen störende – Abdeckung betrieben werden, erfordert dieses eine optisch ansprechende Ausführung der Membran.

Fehler bei der Schallreproduktion

Rein akustische Wiedergabefehler sind entgegen landläufiger Meinung sehr wohl messbar und deren Auswirkungen auf das Hörerlebnis – soweit es nur den Aspekt der Aufnahme des Schallereignisses durch das menschliche Ohr betrifft – sind abschätzbar. Grundvoraussetzung für befriedigende Hörerlebnisse ist natürlich, dass Lautsprechersysteme in sich elektrisch und mechanisch aufeinander und auf das sie umfassende Gehäuse abgestimmt werden müssen.

Das Hauptproblem ist aber, dass zur Beurteilung eines Hörerlebnisses deutlich mehr sensorische Wahrnehmungen einen maßgeblichen Anteil haben, die erst mit der Möglichkeit von organisch realistischen Vollkörpersimulationen messtechnisch erfasst werden können. Zudem fließen in großem Maße individuelle Hörgewohnheiten, Vorlieben und die aktuelle Befindlichkeit des Abhörenden in die Beurteilung des Hörerlebnisses mit ein.

Lautsprecherboxen interagieren zudem vielfältig mit dem Abhörraum, so dass eine für das abzuhörende Lautsprechersystem angemessene Raumakustik eine Voraussetzung für vergleichbare Abhörergebnisse ist.

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. Dieser letzte Punkt ist entscheidend für die Unterscheidung von linearen und nicht linearen Fehlern – mathematisch lässt sich durch die Fourier-Transformation zeigen, dass nur im Falle nichtlinearer Fehler neue Frequenzen im Spektrum entstehen.

Frequenzgang

Lineare Verzerrungen sind etwa Nichtlinearitäten im Amplitudenfrequenzgang, d. h. unterschiedliche Frequenzen werden trotz identischen Eingangssignalpegels vom Lautsprecher unterschiedlich laut wiedergegeben. Je nach Art und Ausprägung dieser Nichtlinearitäten führen diese bei der Wiedergabe zu Klangverfärbungen (zu laute Bässe, zu wenig Mitten usw.). Im Idealfall sollte ein Lautsprecher alle Frequenzen im Hörbereich (20–20000 Hz) gleich laut wiedergeben. In der Praxis sind Abweichungen bis ±0,5 dB für das menschliche Ohr unhörbar, Abweichungen bis ca. ±2 dB, sofern sie nur schmalbandig sind, als hörtechnisch nicht störend zu bezeichnen. Je breitbandiger diese Verfärbungen sind, desto eher sind sie hörbar/störend, wobei Anhebungen einzelner Frequenzbänder hörbarer/störender sind als Absenkungen.

Linearer Frequenzgang wird mit Mehrwege-Lautsprecherboxen oder entsprechend breitbandigen Wandlern erreicht. Hörraum und Boxengeometrie sowie die Lautsprecherdämpfung durch den Verstärker und die Dämmwolle der Box haben neben dem Lautsprecher selbst einen großen Einfluss auf den Frequenzgang. Abweichungen der Frequenzgänge (Paarabweichungen) der beteiligten Lautsprecher untereinander führen zu Lokalisationsunschärfen und zu Klangänderungen von bewegten Quellen (letzteres ist besonders bei Videowiedergabe störend). Das ergibt vor allem bei sogenannten Center-Lautsprechern Probleme, weil diese meistens anders konstruiert und anders aufgestellt sind als die zugehörigen Frontlautsprecher.

Die Empfindlichkeit ist unterschiedlich:

Hörbare Abweichungen treten im Bereich 250 Hz bis 2 kHz ab 0,5 dB auf, maximale Unterschiede von 0,25 dB sind daher anzustreben.

Neben den Verfärbungen auf der idealen Abstrahlachse des Lautsprechers (Hörachse), ist für den Höreindruck jedoch auch entscheidend, wie der Schall abseits dieser Achse abgegeben wird, weil sich nicht immer alle Horer in der Hörachse befinden können. Idealerweise sollte ein Lautsprecher in jede Raumrichtung alle Frequenzen identisch laut wiedergeben, wobei nur der Gesamtpegel abweichen darf (gleichmäßige Schallbündelung). In der Praxis ist diese Bündelung aber insbesondere im Mittel-/Hochtonbereich oft stark abhängig von der Frequenz, was im Heimbereich vermieden werden sollte (Constant Directivity, Verstetigung des Abstrahlverhaltens). Hier sind Kalottenhochtöner vorteilhaft, diese besitzen bei hohen Frequenzen eine wesentlich bessere Rundum-Abstrahlung als Membran- oder Trichter- bzw. Hornlautsprecher.

Im Außenbereich ist man dagegen oft daran interessiert, hohe Frequenzen gerichtet in einen schmalen Raumwinkel abzustrahlen, um deren größere Luftdämpfung bei größeren Entfernungen auszugleichen. Während nahe stehende Hörer dann außerhalb des Haupt-Abstrahlkegels der Hochtonlautsprecher (z. B. Hornlausprecher) sind, werden entfernt stehende Hörer vom Hauptkegel erreicht und nehmen hohe Frequenzen ausreichend laut wahr. Eine Alternative sind im hinteren Zuhörerraum aufgestellte, gerichtet auf die hinteren Zuhörer abstrahlende zusätzliche Hochton-Lautsprecher; diese müssen jedoch zeitverzögert angesteuert werden.

Man sollte jedoch immer berücksichtigen, dass Reflexionen im Hallraum sehr große Pegelschwankungen mit sich bringen, die durchaus im Bereich +10 dB … −40 dB liegen können. Besonders bei höheren Frequenzen ergebensich durch die Überlagerung von Direktschall und den mehrfach Reflexionen äußerst komplizierte räumliche Schallfelder. Bei Wiedergabe eines Sinustons können diese Pegelunterschiede beim Umhergehen deutlich wahrgenommen werden,

Phasengang

Ein Problem sind Interferenzen zwischen den verschiedenen Schallwegen von Mehrweg-Lautsprecherboxen im Bereich der Trennfrequenzen oder mehreren Boxen, die gleiche Frequenzen wiedergeben. Dadurch kommt es zu ortsabhängigen Verstärkungen und Auslöschungen von Frequenzen durch konstruktive und destruktive Interferenz, was letztendlich zu ortsabhängigen Frequenzgangfehlern führt. Man sollte dabei aber beachten, dass es im Hallraum stets zu solchen Erscheinungen kommt, auch wenn nur ein Chassis betrieben wird.

Das menschliche Gehör ist für Phasendrehungen – wie z. B. durch ein Allpassfilter hervorgerufen – recht unempfindlich. Es gibt jedoch Fälle, bei denen Phasenunterschiede wahrnehmbar sind. Beispielsweise in Situationen, bei denen zwei Töne in die kritische Bandbreite fallen. In diesem Fall können die Sinneszellen des Innenohrs mit ihrer Einweggleichrichterwirkung sensorische Unterschiede feststellen. Weit bedeutender als die Phasendrehungen sind jedoch die daraus resultierenden unterschiedlichen Gruppenlaufzeiten. In extremen Fällen werden dadurch Impulse in einzelne Wellikel zerlegt, aus einem Konsonanten wie „t“ wird dann so etwas wie „huii“. Das zeitliche Auflösungsvermögen des Gehörs bzgl. des Eintreffens unterschiedlicher Reize bei verschiedenen Frequenzgruppen ist jedoch sehr beschränkt. Gruppenlaufzeitunterschiede bis zu einigen ms sind daher nicht wahrnehmbar. Das bedeutet, dass mehrere Lautsprecher in einer Box eher weniger, der Abhörraum oder mehrere unterschiedlich entfernt stehende Boxen dagegen entscheidend zu den Verfälschungen beiträgt.

Impulstreue

Als Impulstreue wird das Vermögen eines Lautsprechers bzw. einer Box bezeichnet, bei einem impulsförmigen Signal dessen Zeitverlauf mit möglichst wenigen Ein- bzw. Ausschwingvorgängen zu folgen. Dabei handelt es sich im wesentlichen um tiefe und mittlere Frequenzen, die entstehen, wenn resonante Komponenten (Partialschwingungen auf der Membran, hart aufgehängte Membran insgesamt, Hohlraumresonanzen in der Lautsprecherbox und im Hörraum) zu Schwingungen angeregt werden.

Die Impulstreue wird neben der Lautsprecher-Qualität (möglichst weiche Aufhängung einer möglichst steifen Membran, großer Koppelfaktor bzw. Wirkungsgrad) und dessen Montage (Boxengeometrie und gute Dämpfung) wesentlich auch durch die möglichst niederohmige Speisung der Schwingspule bestimmt: ist der Innenwiderstand des Verstärkerausganges und/oder der ohmsche Widerstand der Lautsprecher-Anschlussleitungen zu hoch, führt der Lautsprecher umso ungedämpfter weitere Schwingungen mit seiner Eigenresonanz aus, die nicht Inhalt des Musiksignales sind. Das Ohr ist jedoch in der Lage, auch wenige einzelne Schwingungen einer gedämpften Schwingung bereits als kurzen Ton zu interpretieren und dessen Tonhöhe zu bestimmen.

Insbesondere Bassreflexboxen liefern schlechte Impulsantworten im Bereich ihrer unteren Grenzfrequenz, da sie auf der Grundlage von Resonanz des Feder-Masse-Systems „Luftvolumen in der Box/Luftmasse im Bassreflexrohr“ funktionieren.

In der realistischen Situation eines normalen Wohnzimmers oder gar eines Raumes mit noch mehr Hall (z. B. leerer Konzertsaal) können die Effekte durch Reflexionen bzw. Hohlraumresonanzen jedoch oft größere und andere Effekte auf die Impulstreue zur Folge haben, als sie durch die Konstruktion des Lautsprechers bzw. der Box verursacht werden. Hier kommen auch Laufzeitunterschiede, verursacht durch Reflexionen auf verschiedenen Wegen oder mehrere, weit entfernt aufgestellte Lautsprecher, hinzu, die auch die Impulsantwort bei hohen Frequenzen verfälschen und bis zur Unverständlichkeit von Sprache führen können. Effekte durch Mehrfachreflexionen sind nicht Gegenstand dieses Artikels. Dagegen können Laufzeiteffekte, die aus der Wiedergabe mit mehreren, unterschiedlich weit vom Hörer aufgestellten Lautsprechern herrühren, vermieden werden, indem die Lautsprecher alle in eine Richtung abstrahlen und man sie zeitverzögert entsprechend ihrer Entfernung von der Bühne ansteuert.

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 konstanten Dichte und Kompressibilität der Luft bei hohen Schallpegeln wird bisher nicht beachtet, spielt jedoch bei großen Schalldrücken eine Rolle.

Korrekturtechniken

Jeder Schallwandler, also der/die Treiber einschließlich aller Elemente des Gehäuses bzw. der Schallführung (im Grunde auch des Hörraums) ist ein System mit verteilten Parametern. Die klassische Vorstellung eines elektromechanischen Systems mit konzentrierten Parametern (Massen, Federsteifigkeiten, Schwingkreisgüten) vermag nur erste Anhaltspunkte einer Simulation zu geben. Um eine Optimierung mit den im System verteilten Parametern durchzuführen, wurden verschiedene Korrekturtechniken entwickelt. Diese lassen sich grob in Steuerungen und Regelungen differenzieren.

Die einfachste und wichtigste Maßnahme ist die exakte Steuerung über die dämpfende Wirkung des Verstärkerausgangs. Aufgrund der Gegenkopplung sind die meisten Leistungsverstärker eine Regelschleife. Sinkt oder steigt die Ausgangsspannung infolge einer Rückwirkung vom Lautsprecher, führt die Gegenkopplung die Ausgangsspannung auf den Normwert zurück. Der Verstärkerausgang stellt für den Lautsprecher idealerweise eine Quellimpedanz null dar.

Jeder dynamische Lautsprecher ist vereinfacht ein Feder-Masse-System, das eine Grundresonanz und infolge unterschiedlicher Schwingungsmodi der Membran Teilresonanzen bei höheren Frequenzen aufweist. Infolge der sich in Betrag und Phase ändernden Impedanz be- und entlastet der Lautsprecher den Verstärker im Vergleich zu einem ohmschen Widerstand. So erzeugt ein schwach bedämpfter Lautsprecher bei der Frequenz seiner Grundresonanz eine Urspannung, die aus seinem elektrodynamischen Funktionsprinzip herrührt. Er verursacht mit dieser Spannung einen gegenüber der Speisespannung phasenverschobene Stromaufnahme. Die rückwirkende Spannung wird durch den zumeist sehr geringen Innenwiderstand des Verstärkerausgangs kurzgeschlossen, der Lautsprecher wird dadurch bedämpft. Hieraus folgt, dass Lautsprecher, Lautsprecherkabel und Verstärker nicht nur hinsichtlich ihrer elektrischen Leistung dimensioniert werden müssen, sondern dass das Kabel und die Quellimpedanz des Verstärkers klein gegenüber der Lautsprecherimpedanz sein sollten.

Bei aktiven Regelschleifen gibt es Anordnungen, die entweder die Auslenkung nahe dem Antrieb (Schwingspule) oder die Bewegung der Gesamtmembran messen. Für die erste Lösung sind Lautsprecherchassis mit einer Schwing- und einer Messspule und für die zweite Lösung solche mit z. B. metallisierten Membranoberflächen hinter einem Metallgitter entwickelt worden. Im ersten Fall wird die in die Messspule induzierte, der Schwingspulenbewegung im linearen Auslenkungsbereich proportionale Spannung verglichen. Im zweiten Fall werden Kapazitäts- oder Ladungsänderungen zwischen Membranoberfläche und isoliert befestigtem Metallgitter gemessen. In allen diesen Fällen können durch die rückgemessenen tatsächlichen Auslenkungen anhand des Audiosignales korrigiert weden.

Eine Steuerung des Schallfeldes kann das Signal so beeinflussen, dass die linearen Artefakte für einen Aufpunkt (Ort) korrigiert werden. Dies erfordert ein oder mehrere Messmikrofone an der/den Hörposition/en. Raumresonanzen sowie andere spezifische Eigenheiten des Hörraumes werden in Bezug auf die Position des Messmikrofons hinsichtlich Frequenz-Linearität der Wiedergabe weitgehend ausgeglichen. Hierzu wird z. B. das Frequenzverhalten der gesamten Übertragungskette einschließlich des Hörraums mit einem über das hörbare Frequenzspektrum gleitenden Sinus, einem Rauschen oder mit einem oder mehreren steilflankigen Impulsen eingemessen und die Abweichungen werden mit einem elektrisch einstellbaren Equalizer ausgeglichen. Damit können jedoch die Effekte von Resonanzen auf die Impulstreue und von Echos und Laufzeiten auf den Raumeindruck nicht vermieden werden.

Neuerdings ist die Modellierung des Raumes bzw. des Schallfeldes mithilfe von Computersoftware möglich, wodurch sich auch ohne Einmessen eine Steuerung des Schallfeldes und des Wiedergabeeindrucks an einem Ort erreichen lässt.

Leider kann man mit Mikrofonen keinen Regelkreis inklusive des Verstärkers bauen. Dies würde es ermöglichen, analog zur Verstärkertechnik auch die nichtlinearen Artefakte deutlich zu reduzieren. Durch die akustischen Laufzeiten und durch die Phasenverdrehungen im Lautsprecher, im Mikrophon und in der Regelelektronik entsteht ein äußerst instabiler Regelkreis, ganz ähnlich wie man es von der Aufnahmetechnik beim Mikrofon-Rückkopplungspfeifen her kennt.

Siehe auch: Motional Feedback, ein heute nicht mehr produziertes Lautsprechersystem von Philips

Membran-Vorauskorrektur

Bei der Membran-Vorauskorrektur von Peter Pfleiderer wird das dynamische Chassis als exakt lineares System betrachtet. Dieses ist dann in seit langem bekannter Weise durch seine Pol-Nullstellen-Konfiguration bestimmt. Aus der Regelungstechnik ist ebenfalls seit langem bekannt, dass ein Vorfilter diese Pol- und Nullstellen kompensieren kann, indem auf jeden Originalpol eine Nullstelle gesetzt wird bzw. auf die Originalnull eine Polstelle. Dadurch sind die linearen Eigenschaften des Chassis kompensiert. Es ist nun nötig, die gewünschten Pol-Nullstellen hinzuzufügen, jedes Chassis muss einen Bandpasscharakter haben, damit die Gesamtverstärkung endlich bleibt [1]. Durch diese elektronische Vorfilterung kann das Chassis im Rahmen der Linearität fast beliebige Eigenschaften verliehen bekommen, wie es von der Theorie des Filterentwurfs bekannt ist. Es gibt z. B. Behauptungen [2], dass Rechtecksignale möglichst unverfälscht durch das Chassis wiedergegeben werden sollen, dies lässt sich einfach durch konstante Gruppenlaufzeit beim Filterentwurf erreichen. Wichtig ist auch, dass Amplitudenfehler per Vorfilter korrigiert werden können, z. B. ein zu früher Abfall nach den tiefen Frequenzen hin.

Die Methode hat Limitationen. Zum einen kann je nach Chassis und gewünschter Übertragungsfunktion eine hohe Ordnung des Vorfilters nötig werden. Es kann auch auftreten, dass die Gesamtverstärkung stellenweise sehr hohe Werte aufweist, was zu sehr hoher Leistungsaufnahme im Chassis führt (die Leistung wächst mit dem Quadrat der Verstärkung). Damit einher gehen auch große Auslenkungen. Dies führt zum prinzipiellen Problem, dass nichtlineare Artefakte gar nicht angegangen werden können. Ungeeignete Kombinationen von Chassis und Vorfilter können extreme nichtlineare Verzerrungen hervorbringen. Das Vorfilter macht aus einem schlechten Chassis kein besseres - aber es klingt besser, weil die Vorfilterung nach der Einmessung angepasst wird an das Chassis. Auch ändert sich nichts an der Tatsache, dass hohe Schalldruckpegel, oder schon mittlere Pegel im Freien oder in großen Räumen nicht mit Einzelchassis verzerrungsarm wiedergegeben werden können. Vielmehr werden mehrere Chassis für verschiedene Frequenzbereiche nötig sein (meist 3 bis 4). Jedes einzelne ließe sich zwar per Vorfilter entzerren, ihre Kombination im Strahlungsfeld jedoch nicht, da je nach Aufpunkt andere Koeffizienten nötig wären. Schließlich ist zu bemerken, dass wie oben gezeigt der Hörraum mit seinen Reflexionen extremen Einfluss auf Amplitudengang und Gruppenlaufzeit hat. Im Diffusfeld ist es deshalb schwierig, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Korrekturmaßnahme zu messen,während die im Freifeld ohne weiteres gelingt.

Bei entsprechend leistungsfähigem Bass-Chassis und entsprechender Verstärkerleistung ist die Vorfilterung jedoch eine probate Methode, einen Tiefbass mit minimaler Gehäusegröße zu realisieren.

Fazit

Es ist auffällig, dass sich die Diskussionen und Aktivitäten zur Fehlerbeseitung regelmäßig nur mit den linearen Artefakten befassen. Unter Limitationen wurde dargelegt, dass in der normalen Abhörsituation diese Fehler der Lautsprecher (bis auf pathologische Fälle) jedoch unbedeutend gegenüber den Effekten durch die Reflexionen sind, dass also in der Regel durch Arbeit an diesen Themen nichts gewonnen wird. Die kammfilterartigen Auslöschungen führen dazu, dass bestimmte Frequenzen, die z. B. auf dem Tonträger vorhanden sind, nicht übertragen werden. Die nichtlinearen Artefakte sind demgegenüber weit irritierender, weil umgekehrt in der Aufnahme gar nicht enthaltende Frequenzen zusätzlich entstehen, was praktisch nur bei Lautsprecherwiedergabe der Fall ist und daher besonders störend wirkt. Leider haben sich trotz dieser Wichtigkeit seit Kellog und Rice praktisch keine Verbesserungsmöglichkeiten ergeben, die Hersteller schweigen deshalb zu diesem Thema.

Elektrische Belastbarkeit (Leistungsangaben)

Die Belastbarkeit eines Lautsprechers wird durch zwei Effekte gegeben. Zum einen wird wegen des geringen Wirkungsgrades die meiste Energie in Wärme umgewandelt, und zwar im Antrieb. Dadurch kann der Lautsprecher thermisch zerstört werden. Zum Anderen kann der Antrieb oder die Membran durch zu große Auslenkungen mechanisch geschädigt werden. Dies tritt vor allem bei den tiefsten zulässigen Frequenzen auf.

Lautsprecher sind thermisch sehr unterschiedlich belastbar. Eine Verbesserung der Kühlung durch Vergrößerung des Luftspalts verringert den Wirkungsgrad und erfordert mehr Leistung, die noch mehr Temperaturanstieg verursacht – man dreht sich im Kreis. Ein Weg ist die Anbringung der Schwingspule auf einer Aluminiumhülse; sie wird u. a. bei Breitbandlautsprechern angewendet. Die dadurch verringerte Spuleninduktivität linearisiert den Frequenzgang, jedoch wird die bewegte Masse vergrößert, was den Wirkungsgrad reduziert. Eine weitere, sehr effiziente Möglichkeit zur Abführung der Verlustwärme ist die Füllung des Luftspaltes mit einer ferromagnetischen Flüssigkeit (Ferrofluid) – damit werden drei Effekte erzielt:

Dies ist aber nur möglich, wenn die Auslenkung weit unter einem Millimeter liegt, kommt also nur für Hochtöner in Betracht.

Bei elektrodynamischen Lautsprechertreibern können bei längerem Betrieb Temperaturen von über 200 Grad Celsius entstehen. Eine Überlastung führt im Extremfall zu einem „Durchbrennen“ der Schwingspule, wobei meistens erst die Isolierung verglüht und zu einem Kurzschluss führt und/oder der Schwingspulendraht schmilzt. Bei elektrodynamischen Lautsprechern kommt es allerdings meistens zuerst zu einem Erweichen des Klebstoffes und damit zur Lockerung des Spulendrahtes auf dem Spulenträger, wodurch der Treiber unbrauchbar wird.

Die Angabe einer Sinusleistung (Leistung bei einer festgelegten Frequenz), wie sie z. B. bei Verstärkern üblich ist, ist für die Ermittlung der thermischen Belastbarkeit bei Lautsprechern nicht angebracht, da unter Umständen auch bei geringer Temperatur durch zu große Auslenkungen die mechanische Zerstörung einsetzt. Außerdem sind übliche Musiksignale im zeitlichen Mittel eher einem um 3 dB/Oktave abfallenden Frequenzgemisch ähnlich; siehe 1/f-Rauschen (rosa Rauschen). Dabei muss man beachten: die zulässige thermische Leistung wird mit einem rosa Rauschen, begrenzt auf den angegebenen Frequenzbereich, gemessen und als Mittelwert PRMS angegeben. Das bedeutet: Ein Hochtöner für den Frequenzbereich 8 kHz bis 16 kHz bekommt von der Maximalrauschleistung durch die Filterung nur ein Hundertstel ab!

Für die mechanische Zerstörung ist dagegen sehr wohl ein Sinussignal relevant. Bei Hoch und Mitteltönern kann man zu große Auslenkungen meist am drastischen Ansteigen des Klirrens feststellen, für Tieftöner kann man das Erreichen der maximal zulässigen Auslenkung leicht messen. Leider werden diese Daten nie von den Herstellern angegeben, man kann sie jedoch meist aus anderen Daten berechnen. Typisch geht bei Hoch- und Mitteltönern durch die Frequenzweichen die mechanische Überlastung mit der thermischen einher. Eine Ausnahme sind Horntreiber. Diese sind für kleine Auslenkungen und große akustische Belastung entworfen. Ein Betrieb ohne diese, also unterhalb der Horngrenzfrequenz oder gar ohne Horn, kann zum sofortigen Ausfall trotz noch unkritischer Temperatur führen.

Für einen wirksamen Schutz von Tieftönern ist sowohl der thermische als auch der Auslenkungsgesichtspunkt zu beachten. Hohe Pegel lassen sich nur sinnvoll darstellen, wenn die Schutzvorrichtung auch die Wärmekapazität in Rechnung stellt. So kann z. B. ein Tieftöner durchaus für einige zehn Sekunden mit einer Leistungsaufnahme betrieben werden, die deutlich über der Dauerbelastungsangabe liegt. Die Schwingspule braucht Zeit, um sich aufzuwärmen. Die kleineren Antriebe von Hochtönern haben erheblich geringere Zeitkonstanten und bedürfen um so mehr der Vorsicht.

Gewarnt werden muss vor dem Irrglauben, man könne Lautsprecher durch leistungsschwache Verstärker vor Überlastung schützen: Bei Übersteuerung (Clipping) erzeugen diese Klirrprodukte vor allem im höheren Frequenzbereich, die bei Mehr-Wege-Lautsprechern häufig zur Zerstörung des Hochtöners auch hoch belastbarer Boxen führen. Es ist dennoch sinnvoll, die Verstärkerleistung geringer als die Lautsprecher-Belastbarkeit zu wählen, da dann die Wiedergabequalität höher ist – vorausgesetzt, die Leistung liegt unterhalb der Verstärker-Grenzwerte.

Aus der Angabe einer zulässigen Spitzenleistung kann man – mit dem in den technischen Angaben aufgeführten Wirkungsgrad – einen maximal erzielbaren Schalldruck errechnen. In der Praxis wird der Schalldruck jedoch oft durch Kompression und Verzerrungen auf einen niedrigeren Wert begrenzt, da die Schwingspule den Bereich des homogenen Magnetfeldes verlässt und die Membraneinspannung mechanische Grenzen setzt. Die Angabe einer Spitzenleistung „PMPO“, wie sie bei Lautsprechern der untersten Preisklasse zu finden ist, folgt keiner geschützten Definition und besitzt keine Aussagekraft.

Wirkungsgrad

Die Wirkungsgrade auch der besonders effizienten elektrodynamischen Lautsprecher sind sehr gering (0,2…5 %, bis 20 % nahe Resonanzstellen); es ist nicht üblich, sie anzugeben. Die Lautsprecher-Effizienz wird mit dem Kennschalldruck angegeben, es ist der Schalldruckpegel bei einer elektrischen Leistung von 1 Watt, der in 1 Meter Entfernung in einem echoarmen Raum (Freifeld) gemessen wird (in dB/W/m). Die Größe des Schalldruckpegels (dB) ist als logarithmisches Größenverhältnis in dB auf einen Norm-Schalldruckpegel von 20 µPa bezogen.

Beispiel
Ein durchschnittlicher dynamischer Lautsprecher mit z. B. 87 dB/W/m benötigt für einen Pegel von 100 dB in vier Metern Abstand eine elektrische Leistung von etwa 80 W, wogegen ein wirkungsgradstarker Lautsprecher mit 101 dB/W/m mit 3,2 W auskommt.

Die betrachteten Schallwandler zeichnen sich alle durch einen recht geringen energetischen Wirkungsgrad aus. Zwar spielen insbesondere in der HiFi-Technik andere Kenngrößen (Frequenzverhalten, Verzerrungen) eine wesentlichere Rolle, jedoch kommt dem Wirkungsgrad aus mehreren Gründen eine Bedeutung zu: Ein wirkungsgradschwacher Wandler (z. B. ein Magnetostat oder ein dynamischer Lautsprecher mit einem schwachen Magneten) benötigt beträchtliche Verstärkerleistungen, die als Wärmeleistung vom Wandler abgeführt werden müssen, um eine Beschädigung des Antriebs zu vermeiden. Erforderliche höhere Verstärkerleistung ist u. a. bei batteriebetriebenen Anwendungen nachteilig, verursacht ihrerseits Wärme oder erfordert Verstärker mit hoher Effizienz, die nicht immer auch gute Übertragungseigenschaften besitzen.

Der Wirkungsgrad eines dynamischen Lautsprechers wird erhöht durch:

Die ersten drei Einflussfaktoren wirken sich in jedem Fall auch positiv auf die Wiedergabequalität aus, da dadurch auch der Koppelfaktor und die Eigendämpfung verbessert werden. Dagegen kann die Effizienzverbesserung durch bessere Luft-Ankopplung unter Umständen auch zu einem verzerrten Frequenzgang führen: Ausgeprägte Eigenresonanzen kleiner Boxen-Volumina oder des Bassreflexweges führen zu einer selektiven Erhöhung der Lautstärke, aber auch zu einer Verschlechterung der Impulstreue.

Große Auslenkungen verursachen u. a. bei dynamischen Lautsprechern auch hohe Intermodulationsverzerrungen. Großer Wirkungsgrad und gute Schallwiedergabe wird daher mit großen Lautsprechern (geringere Auslenkung bei gleichem Schallpegel) erreicht; große Bauformen sind jedoch häufig nicht erwünscht, sie sind teurer oder weisen andere Nachteile auf (z. B. Partialschwingungen der Membran).

Bei der Beschallung z. B. von Bahnhöfen kommt es auf eine gute Sprachverständlichkeit bei großem Pegel an. Oft werden hier Hornlautsprecher oder Druckkammerlautsprecher eingesetzt, die nur den Frequenzumfang der Sprache mit hohem Wirkungsgrad wiedergeben. Deren gerichtete Abstrahlung, insbesondere der hohen Frequenzen (Zischlaute), kann zur Erhöhung der Effizienz, aber auch zur Vermeidung von Laufzeit-Verzerrungen (Reflexionen, mehrere Quellen) genutzt werden, die ansonsten die Sprachverständlichkeit beeinflussen.

Siehe auch

Literatur

Quellen

  1. http://www.linkwitzlab.com/filters.htm
  2. Peter M. Pfleiderer: HIFI auf den Punkt gebracht – Wiedergabetechnik für unverfälschtes Hören, Pflaum Verlag München, 1990
 Wiktionary: Lautsprecher – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik
 Commons: Lautsprecher – Bilder, Videos und Audiodateien