Akustik- und Lautsprecher-Guide Teil 2/3

Autoren: Diplom-Physiker Dr. rer. nat. Hermann Rampacher und Carsten RampacherHIFI-REGLER, update: 13.11.2012


Nach dem doch etwas theorielastigen ersten Teil unseres Specials Akustik- und Lautsprecher-Guide geht es hier doch mehr in die praktische Umsetzung der Lautsprecher als Schallwandler ...


Breitbänder, Mehrwege-Lautsprecher und Bass-Experten

Breitband-Lautsprecher

Simpler Breitbandlautsprecher

Dies können die „Universalgenies“ unter den Lautsprechern, die Breitbandlautsprecher, allerdings nicht: Sie übertragen fast alle Frequenzen in unserem Hörbereich, (Präsenztonbereich, hier ist das menschliche Gehör am sensibelsten), sparen aber in der Regel die tiefsten und höchsten aus. Wie im täglichen Leben sind für anspruchsvolle Stereo- und Mehrkanal-Anlagen „Professionals“ notwendig.

Mehrwege-LautsprecherFrequenzweiche eine Mehrwege-Lautsprechers

Typischer Mehrwege-Lautsprecher (links) und Frequenzweiche (rechts)

Es gibt hier im Falle eines Dreiwege-Systems Tieftöner, Mitteltöner und Hochtöner. Zweiwegsysteme greifen auf Hoch- und kombinierten Mittel-/Tieftöner zurück, besonders aufwändige Lautsprecher weisen zusätzlich noch einen Super-Hochtöner auf, der dann enorm hohe Frequenzen im Oberwellenbereich erfasst. Mehrwege-Lautsprecher benötigen eine sogenannte Frequenzweiche, um den jeweiligen Chassis die Frequenzen zuzuordnen, die im jeweiligen Arbeitsbereich liegen. Bei der Qualität der Frequenzweiche gibt es große Unterschiede je nach Preisklasse des Lautsprechers. Elementar wichtig sind langzeitstabile Bauteile, um auch über Jahre einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Die Bauteile sollten in hochwertigen Frequenzweichen teurer Boxen auch selektiert und von den Fertigungstoleranzen her extrem klein sein.

Typischer Frontstrahler-Subwoofer: Dynaudio Sub 600

Subwoofer nach dem Frontstrahler-Prinzip. Hier der Dynaudio Sub 600

Aus mehreren elektro-akustischen Wandlern, also aus mehreren Chassis für Zwei- bis Vierwege-Aufbau, besteht gewöhnlich eine der vorderen Lautsprecher-Säulen, voluminösen StandboxenRegallautsprechern oder Satelliten einer Raumtonanlage. Die tiefsten Töne, ungefähr von 20 Hertz – wie sie große Orgeln produzieren – aufwärts bis ca. 80 - 100 Hertz, überträgt ein spezieller Basslautsprecher (Subwoofer). Dieser ist bei modernen Mehrkanal-Lautsprechersystemen aktiv ausgeführt, das heißt, im Gegensatz zu den anderen, passiven Lautsprechern bringt er eine eigene Endstufe mit.

Subwoofer-Endstufe

Moderne Subwoofer bringen oft digitale Class D-Endstufen mit – diese Endstufen produzieren nur wenig Verlustwärme und arbeiten daher sehr effektiv

Dies hat folgenden Hintergrund: Die Wiedergabe des Bassbereiches verschlingt am meisten Energie. Würde man einen passiven Subwoofer verwenden, müsste diese Energie noch von den Verstärkereinheiten des AV-Receivers aufgebracht werden. Durch die Verwendung eines  im Subwoofer eingebauten Verstärkermoduls nimmt der aktive Subwoofer dem AV-Verstärker oder AV-Receiver Arbeit im leistungsintensiven Bassbereich ab. Da es bei der Basswiedergabe auch eher auf die Leistung als auf absolute akustische Reinheit ankommt, können die in Subwoofern verbauten Verstärkereinheiten auch besser auf maximale Ausgangsleistung getrimmt werden als die Endstufen im Verstärker, die den gesamten Frequenzbereich versorgen müssen.

Blu-rays bieten hochauflösende Tonspuren an

Blu-rays bieten hochauflösende Tonspuren an.

 

Die Dynamic von DTS HD fordert Lautsprecher aufs Äußerste

Übertragung von DTS-HD Master Audio – hier sind hochwertige Boxen als Spielpartner gefragt.

Zurück zu der Auslegung einer Mehrkanal-Anlage: Bei DVD-basierten Konzert- oder Opernübertragungen und Filmen haben Töne von hinten eine geringere Amplitude; es ist ganz natürlich, dass ein Teil der Beschallung von vorne durch Wände oder Einrichtung absorbiert und nur ein Bruchteil reflektiert wird und von hinten an unsere Ohren gelangt.

Der akustische Beitrag der rückwärtigen Lautsprecher der Anlage ist damit kleiner und ihr innerer Aufbau – schon aus Kostengründen – einfacher als die Lautsprecher oder des vorderen mittleren Lautsprechers (Center Speaker), die zusammen von vorne beschallen. Nutzt man allerdings gern hoch auflösende Medien wie Blu-ray, Blu-ray Audio oder SACD, machen aufwändige Surroundlautsprecher Sinn, da diese Medien auch für die Surroundkanäle mehr und präziser aufbereitete Informationen bereit stellen.

Beim Basslautsprecher ist der genaue Standort wegen der tiefen Wellenlänge der zu übertragenden Audioinformationen, die teilweise sogar über den Boden übertragen werden, nicht so entscheidend. Man sollte hier allerdings aufpassen, dass die obere Grenzfrequenz des aktiven Subwoofers in einem hochwertigen Setup nicht die 100 Hz überschreitet, denn dann ist der Basslautsprecher zu orten. Oftmals machen zwei  besonders schnell ansprechende, kompakte Subwoofer Sinn, die Bass-Wiedergabe erscheint homogener, zudem sprechen die beiden kleineren Chassis in den Subwoofern mit  höherer Impulstreue an als ein großes, trägeres Chassis.

Lautsprecher Konfiguration

Wichtig für einen optimalen Klang ist die korrekte Einstellung der Übernahmefrequenz der Lautsprecher im Setup des AV-Receivers.

Lästig bei Surround-Anlagen sind auch Resonanzen im Wohnzimmer: Einige Gegenstände beginnen bei bestimmten Frequenzen der Schallwellen mitzuschwingen. Dies absorbiert einen Teil der Schallenergie und stört unseren Hörgenuss empfindlich. Oft helfen Unterlagen weiter, welche die unerwünschten Schwingungen dämpfen. Für die Umwandlung niederfrequenter elektrischer Signale in für uns hörbare akustische Informationen gibt es physikalisch unterschiedliche Wandler. Vorab ein kurzer Überblick. Es gibt im Wesentlichen elektrodynamische, elektromagnetische, elektro- und magnetostatische Lautsprecher und Biegewellenwandler. Zudem werden von einigen wenigen Kleinserienherstellern 360-Grad-Rundstrahler gebaut, die allein einen Raum akustisch treu beschallen können.

Lautsprecher und Umwandlungsprozesse

Hochtöner

Für den Hochtonbereich: Bändchen-Lautsprecher, aufwändig und teuer in der Konstruktion, aber toller räumlicher Darstellung.

In allen Lautsprechern muss eine Einrichtung vorhanden sein, welche Schallwellen durch ihre mechanischen Schwingungen erzeugt: die Membran. Bei elektrodynamischen Lautsprechern, wohl den häufigsten, wird die Membran durch die Wechselwirkung zwischen dem in einer Schwingspule fließenden Strom und dem Feld eines eingebauten permanenten Magneten in Schwingungen versetzt. Elektrostatische Lautsprecher nutzen die aus dem Physikunterricht bekannten, in unterschiedlicher Stärke auftretenden elektrostatischen Kräfte; wegen der eher kleinen Kräfte ist der entstehende Schalldruck begrenzt, weshalb diese Bauart nur für räumlich stark gerichtete Lautsprecher verwendet wird.

Vor allem bei Hochtönern, im oberen Frequenzbereich, werden entstehende Schwingungen konstruktiv nicht lokal begrenzt, sondern mit der ganzen Membran erzeugt; bei einem Bändchen-Lautsprecher für den Hochtonbereich wird das, etwa aus Aluminium bestehende, Bändchen selbst in Schwingungen versetzt; Bändchen-Magentostaten sind konstruktiv aufwändig und werden daher nur in teuren Anlagen für den Hochtonbereich eingebaut. Elektromagnetische Lautsprecher sind zwar die „Klassiker“ unter Ihresgleichen; bei ihnen wird eine Eisenmembran zur Schallabstrahlung angeregt oder ein von einer Spule umschlossener ferromagnetischer Stab dazu gebracht, eine Papiermembran in Schwingungen zu versetzen; Lautsprecher dieser Bauart werden in leistungsfähigen modernen Raumtonanlagen kaum noch eingesetzt.

Bei einem Biegewellen-Wandler breiten sich auf der Membran Oberflächenwellen aus – wie bereits bei Wasserwellen erwähnt – und die Membran-Anregung erfolgt elektrodynamisch durch eine vom Strom durchflossene Spule. Für lautstarke Anwendungen – etwa beim Heimkino – ist diese Bauart wegen ihrer äußerst treuen akustischen Wiedergabe bestens   geeignet; doch sind solche Lautsprecher wegen des hohen konstruktiven Aufwandes teurer als elektrodynamische vergleichbarer Qualität. Lautsprecher im Gesamten wie Kopfhörer werden heute in Westeuropa oft von mittelständischen Spezialunternehmen entwickelt und produziert. Eine eigene Chassis-Produktion leistet sich kaum noch ein Hersteller, hier gibt es weltweit angesehene Unternehmen, die dann Chassis nach den Wünschen des Lautsprecherherstellers produzieren.

Standlautsprecher von T+A

Wichtig für einen optimalen Klang ist die korrekte Einstellung der Übernahmefrequenz der Lautsprecher im Setup des AV-Receivers. Im Bild werden die aktiven Standlautsprecher T+A KS Active gezeigt.

Leistung kostet Geld

Bei allen Umwandlungsprozessen zwischen elektrischen und akustischen Signalen ist darauf zu achten, dass die Leistungsfähigkeit der Ausgangsverstärker auch bei hoher Belastung durch große Lautstärken – so beim Fortissimo einer großen Münster- oder Konzertorgel oder dem eines riesigen Orchesters, das Bruckner oder Wagner spielt, – von den tiefsten bis zu den höchsten Frequenzen im linearen Übertragungsbereich bleiben; sonst treten Verzerrungen auf: Töne wie Obertöne werden nicht mehr als Sinuswellen wiedergegeben.

Daher geht es bei Verstärkern zu wie im Automobilbereich: Ein Vierzylinder erreicht in der Praxis rascher die Grenze seiner noch rund laufenden und geräuscharmen Leistungsfähigkeit wie ein Acht- oder Zwölfzylinder; dafür muss man bei den letzten tiefer in die Tasche greifen. Verstärker, deren höchste Ausgangsleistung bei der Lautstärke gängiger Wiedergaben kaum je benötigt wird, oder akustische Surroundanlagen, die alle im Konzert oder bei Filmen auftretenden Frequenzen originalgetreu wiedergeben, müssen wie besonders leistungsfähige und leise laufende Automobile eben teuer bezahlt werden.

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