Akustik- und Lautsprecher-Guide Teil 3/3

Autoren: Detlev Schnick und Carsten RampacherHIFI-REGLER, update: 13.11.2012


Nach dem doch etwa theorielastigen ersten Teil unseres Specials Akustik- und Lautsprecher_Guide ging es im zweiten Teil mehr um die praktische Umsetzung der Lautsprecher als Schallwandler: Breitbänder, Mehrwege-Lautsprecher und Bass-Experten (Subwoofer). Hier nun eine überarbeitete Version unseres ursprünglichen Specials Lautsprecher kaufen - Hintergrundwissen:

Inhalt:
Wichtige physikalische Größen zur Bestimmung von Schall, Ton und Klang
Das menschliche Gehör, Schalldruck und empfundene Lautstärke
Was bedeutet dies für den Lautsprecher und den Verstärker?
In welcher Form breitet sich Schall aus?
Der Lautsprecher
Basics
Wissenswerte Begriffe rund um den Lautsprecher...
Akustische Eigenschaften des Hörraums und Einpegelung der Anlage
Lautsprecher Kaufberatung


Der Lautsprecherkauf  und die Aufstellung sowie Einpegelung der Surround-Anlage sind nicht unbedingt einfach und für jedermann ohne ein gewisses Vorwissen zu bewältigen. Die Lautsprecher spielen zusammen mit den akustischen Eigenschaften des Hörraums und der richtigen Handhabung der Surround-Anlage eine wesentliche Rolle bei der Erzielung eines optimalen Hörerlebnisses. Wir wollen einige Grundlagen erläutern, damit der Lautsprecherkauf und das Verständnis der technischen Basics ein wenig einfacher wird. 

Wichtige physikalische Größen zur Bestimmung von Schall, Ton und Klang

Ein Schallfeld bezeichnet in der Akustiklehre einen Raum, in dem sich Schallwellen ausbreiten können. Um dieses Schallfeld allerdings näher charakterisieren zu können, sind verschiedene physikalische Größen zur exakten Beschreibung nötig. So beispielsweise der Schallpegel, der als die Druckänderung, die durch die schwingenden Luftmoleküle verursacht werden, definiert ist. Der Schalldruckbereich, den das menschliche Gehör aufnehmen kann, liegt zwischen 2 x 10-5 N/m2 und 20 N/m2 (bei 1000 Hz). Das entspricht einem Faktor von 1.000.000.

Damit dieser sehr große Bereich mathematisch leichter erfasst werden kann, führte man die logarithmische Verhältnisgröße Dezibel (dB) ein: den Schallpegel. So entspricht ein Schalldruck von  2 x 10-5 N/m2 einem Schallpegel von 0 dB, auf der anderen Seite ein Schalldruck von 20 N/m2  einem Schallpegel von 120 dB.  Zur richtigen Einordnung einige Beispiele: Ein in normaler Zimmerlautstärke geführtes Gespräch erzeugt in 1 Meter Abstand einen Lautstärkepegel von etwa 60 dB. In der Disco wird hingegen nicht selten die maximale Schmerzgrenze erreicht, ebenso bei der Ausübung verschiedener Berufe. Darum tragen beispielsweise Bauarbeiter, die den Presslufthammer bedienen, oder Waldarbeiter, die mit der Kettensäge arbeiten, Gehörschutz.

Bei der Verwendung der Maßeinheit Dezibel muss man sich aber auch klarmachen, welche tatsächlichen Wirkungen nominell gar nicht so große Schalldruckänderungen auf unser Gehör haben: So wird ein Unterschied von 10 (nominell gar nicht so viel) dB im Schalldruckpegel vom menschlichen Gehör bereits als Verdopplung der Lautstärke wahrgenommen, und schon Unterschiede um die 3 bis 4 dB sind deutlich in Form einer gut wahrnehmbaren Lauter- bzw. Leiser-Empfindung auszumachen. Dies liegt darin begründet, dass die Maßeinheit dB, wie schon erwähnt, ein logarithmisches Maß ist. Werden die dB-Unterschiede hingegen kleiner als die eben angesprochenen 3 bis 4 dB, sind sie nur noch im direkten Vergleich zu differenzieren. 

Zu den Größen, die ein Schallfeld bestimmen, gehört auch die Schallgeschwindigkeit, die unabhängig von der Frequenz, aber abhängig vom Medium ist, in dem sich der Schall ausbreitet. In der Luft beispielsweise breitet sich der Schall mit 343 Meter pro Sekunde aus, in Wasser mit 1440 Meter pro Sekunde und in Aluminium gar mit 6260 Metern in der Sekunde. Die Schallschnelle, ebenfalls im m/sec. gemessen, ist nicht identisch mit der Schallgeschwindigkeit. Die Schallschnelle charakterisiert die Größe der Geschwindigkeit, mit der die Luftmoleküle um ihre Ruhestellung schwingen.

Eine weitere deskriptive Messeinheit ist die Schalleistung, die in Watt (W) angegeben wird. Hier ist interessant, wie gering die Schalleistungen verschiedener Musikinstrumente selbst im Vergleich zu einem sehr bescheidenen Verstärker sind: So bringt es ein ganzes Symphonieorchester auf 70 W, eine Pauke gerade mal auf 12 W, ein Piano auf 0,5 W.

Das menschliche Gehör, Schalldruck und empfundene Lautstärke

Das menschliche Gehör ist im Besonderen auf die Aufnahme von Frequenzen zwischen 700 und 6000 Hz vorbereitet, denn um Schwingungen in diesem Frequenzspektrum hörbar zu machen, genügt schon ein verhältnismäßig geringer Schalldruck. Im Bereich sehr tiefer Frequenzen hingegen, wie sie beispielsweise von einem aktiven Subwoofer übertragen werden (Übertragungsbereich liegt meist grob zwischen 20 und 200 Hz), ist ein größerer Schalldruck vonnöten.  Diese Auslegung des Gehörs entspricht den Gegebenheiten des Alltags: So sind in unserer Umgebung die tieffrequenten Schallanteile mit sehr hohem Schalldruck vertreten.

Bei tiefen Frequenzen beispielsweise erzeugt eine mit Wucht zugeschlagene Tür einen sehr hohen Schalldruck. Diese tiefen Frequenzen sind aber nicht so wichtig fürs tägliche Hören wie die mittleren, die oben erwähnt wurden und für die das Gehör deshalb auch besonders empfänglich ist – ein Beispiel für die Anpassungsfähigkeit des Menschen an seine Umwelt. Wäre unser Gehör für die tiefen Frequenzen genauso empfänglich wie für die angesprochenen mittleren, dann hätte dies katastrophale Folgen: Das Gehör wäre permanent übersteuert und würde als Folge dessen sekundenlang völlig ausfallen.

Im Zusammenhang mit dem menschlichen Gehör sind noch die die frequenzabhängigen Begriffe Hörschwelle und Schmerzschwelle zu klären. Die Hörschwelle ist die unterste noch wahrnehmbare Schallpegelgrenze, während die Schmerzschwelle eine Schallempfindung umschreibt, die schon Schmerz auslöst. Hierbei ist zu beachten: Zwei Töne mit gleichem Schallpegel wertet das menschliche Gehör nicht automatisch als gleich laut. So wird ein Basston von 50 Hz bei einem Schalldruckpegel von 50 dB genauso laut wahrgenommen wie ein höherfrequenter 4 kHz-Ton (hier liegt die größte Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs) mit lediglich 12 dB. Beide Töne erzeugen die gleiche empfundene Lautstärke. Gegen die tiefen Töne nimmt die Empfindlichkeit stark ab, während sie bei Frequenzen, die oberhalb der erwähnten 4 kHz liegen, in weniger starkem Maße ab- und über 8 kHz sogar wieder leicht zunimmt. Mit zunehmender Lautstärke verringert sich dieses Verhältnis. 

Was bedeutet dies für den Lautsprecher und den Verstärker?

Hier ist zu beachten, dass aufgrund der Hörstruktur des menschlichen Gehörs auftretende Fehler wie beispielsweise ein hoher Klirrfaktor in der Gegend um 4 kHz besonders unangenehm hervortreten, weil in diesem Frequenzbereich das menschliche Ohr besonders sensibel reagiert. Damit bei leisen und bei laut eingestelltem Verstärker eine gleichmäßige Wiedergabe aller Frequenzen sichergestellt ist, wird häufig eine sogenannte Loudness-Schaltung verbaut. Diese funktioniert mittels eines umgekehrt proportional arbeitenden Filters, das sich bei weiter aufgedrehtem Lautstärkeregler dem flacher werdenden Verlauf der Ohrkurven anpasst.

In welcher Form breitet sich Schall aus?

Eine punktförmige Schallquelle sendet Kugelwellen aus  - von punktförmigen Schallquellen kann man sprechen, wenn die Ausdehnung der Schallquelle sehr viel kleiner ist als die Wellenlänge des Schalls. Siehe dazu auch Figur 4 in Teil 1 des Akustik und Lautsprecherguides. Möchte man die Wellenlänge ermitteln, kann man sich folgender Formel bedienen:

v (Schallgeschwindigkeit, hier in Luft, 343 m pro s) = Wellenlänge l (in m) x Frequenz (1/s). Daraus ergibt sich für die Wellenlänge: Schallgeschwindigkeit/Frequenz.  Durch die Unterschiede in der Wellenlänge (tiefe Frequenzen haben eine größere Wellenlänge) kann man bei einem Tieftonlautsprecher mit normalem Membrandurchmesser (30 bis 40 cm) durchaus von einer punktförmigen Schallquelle sprechen. Bei einem Hochtonlautsprecher hingegen, der bei seinen hochfrequenten Übertragungsbereichen eine weitaus kürzere Wellenlänge erzeugt, ist die Definition als punktförmige Schallquelle nur dann gegeben, wenn die Membran extrem kleine Abmessungen aufweist. Ist die Abmessung der Membran (und damit die Ausdehnung der Schallquelle) größer als die Wellenlänge, dann erfolgt die Schallabstrahlung gerichtet.

Wichtig in diesem Zusammenhang ist noch die Beugung von Schall sowie die Reflexion. Zum ersten Begriff: Trifft eine Schallwelle auf eine Öffnung in einer Wand, so breiten sich die Schallwellen dahinter kugelförmig aus  - allerdings nur unter der Voraussetzung, dass die Öffnung der Wand kleiner ist als die Wellenlänge (siehe Beginn des vorherigen Abschnitts). Dabei kann die Öffnung als neue punktförmige Schallquelle angesehen werden. Ist die Öffnung größer als die Wellenlänge , breiten sich die Schallwellen hinter der Öffnung gleichförmig aus. 

Bei der Schallreflexion treffen Schallwellen auf ein Hindernis, in einem Hörraum beispielsweise auf einen Schrank oder eine Wand. Der Schrank oder die Wand reflektieren die ursprüngliche Schallwelle, mit diesem Prozess wird eine neue Schallwelle, die des reflektieren Schalls, gebildet. Die ursprüngliche und die reflektierte Welle begegnen sich, und es kommt zur Ausbildung sogenannter "stehender Wellen", sollten die Raummaße in einem ganzzahligen Verhältnis zur halben Wellenlänge stehen. Dies ist z.B. der Fall, wenn die halbe Wellenlänge zwischen die Wände eines Hörraums passt. Ist der Abstand zwischen den Wänden beispielsweise 5 Meter, so muss die Wellenlänge 5 x 2 m sein, also 10 Meter. Stehende Wellen spielen in der Akustik eine große Rolle, so sind sie beispielsweise verantwortlich für unschöne Raumresonanzen, die bei ungünstiger Schallreflexion entstehen können. Man kann die Grundresonanz nach folgender Formel berechnen:

Frequenz der stehenden Welle f(r) = c/ l  = 343/10 m/m x s

Zum Thema Reflexionen und Raumakustik empfehlen wir uns Special Wege zu einer guten Raumakustik - Teil 1 und Teil 2.

Der Lautsprecher

Die HiFi- und Heimkinotechnik unserer Tage wurde erst durch eine bahnbrechende Innovation möglich: Über die Umwandlung von Schall in elektrische Energie. Diese Aufgabe übernimmt das Mikrofon, während der Lautsprecher die umgekehrte Wandlung vornimmt: Er sorgt dafür, dass die elektrischen Schwingungen wieder in Schallwellen umgewandelt werden – somit ist der Lautsprecher das letzte Glied der Heimkino- oder Stereoanlage, welches den im Endeffekt vom Zuhörer gehörten Klang zusammen mit der Akustik des Hörraums am stärksten beeinflussen kann.

Basics

Bei fast allen Arten von Lautsprechern übernimmt eine schwingende Membran die Abstrahlung des Schalls. Die Form der Membran kann unterschiedlich sein, in der Praxis gebräuchliche Formen sind beispielsweise die Kalotte, der Konus oder die Flachmembran. Die beabsichtige Arbeitsweise ist jedoch in allen Fällen ähnlich: Die Membran arbeitet wie ein Kolben, der vor- und zurückschwingt. Dabei verdichtet und entspannt die Membran die angrenzende Luft, so dass Schallwellen entstehen und nach den anfänglich genannten Prinzipien ausbreiten. Physikalisch betrachtet, entzieht eine schwingende Membran, die elektrische Energie in Form von akustischer Energie an die Luft abgibt, einem schwingenden System Energie. Die Auswirkungen sind vergleichbar mit denen eines Widerstands, der elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt, Folge ist in diesem Fall die Abstrahlung von Wärme

Die Energieumwandlung  kann verschieden effektiv geschehen, auch bei der Membran. Hier dient die physikalische Größe des Strahlungswiderstandes (Zr) zur Umschreibung der Effektivität beim Umwandeln von mechanischer Energie (die Schwingungen) in akustische Energie (der Schall, den wir letztendlich auch hören). Hierbei ist zu beachten, dass sich der Strahlungswiderstand in zwei Einzelkomponenten auftrennen lässt: Den Wirkanteil, identisch mit der Schallabstrahlung, und dem Blindanteil. Letzterer ist einfach wahrnehmbar: Wer schon mal die Hand vor einem Subwoofer gehalten hat, spürte den, je nach Lautstärke, durchaus kräftigen Luftzug.

Beim Blindanteil schiebt die Membran also auch Luft hin und her, die nichts zur eigentlichen Schallabstrahlung beiträgt. Je mehr Luftmasse insgesamt hin und her geschoben wird, umso größer wird der Blindanteil. Dies ist besonders bei kleinen Membrandurchmessern, die einen großen Hub ausführen müssen, der Fall, während bei großen Membrandurchmessern mit entsprechend kleinem Hub der Blindanteil gering und der Wirkanteil sehr groß ist. Die Änderung des Strahlungswiderstands ist frequenzabhängig und hat somit einen deutlichen Einfluss auf den Frequenzgang eines Lautsprechers. Ebenso ist Z von der Membranfläche abhängig, so größer die Membranfläche wird, so größer wird auch der Strahlungswiderstand.

Die von der Membran abgestrahlte Leistung ist, abgesehen vom eben behandelten Strahlungswiderstand, noch von weiteren Faktoren abhängig. Wie bei den schon erwähnten Luftmolekülen, bei denen die Schallschnelle die Geschwindigkeit charakterisierte, mit der die Moleküle um ihre Ruhestellung schwingen, gibt es auch eine Größe, die umschreibt, mit welcher Geschwindigkeit die Membran um ihre Ruhestellung schwingt: Die Membrangeschwindigkeit v, die ihr Maximum bei der Resonanzfrequenz fs erreicht. Unterhalb der Resonanzfrequenz steigt v proportional mit der Frequenz an, oberhalb von fs nimmt die Geschwindigkeit mit 1/f wieder ab.

Will man nun die akustische Leistung ermitteln, so gehen die beschriebenen Parameter in die dafür bestimmte Gleichung mit ein, also sowohl der Strahlungswiderstand, der sich, wie erläutert, in Blind- und Wirkanteil gliedert, und das Quadrat der Membrangeschwindigkeit v: Die akustische Leistung (Leistung wird in der Physik immer mit der Größe P umschrieben, hier wegen der „akustischen“ Leistung P(aK) ist proportional zum Strahlungswiderstand, multipliziert mit dem Quadrat der Membrangeschwindigkeit: P(aK) ~ Zr x v2 . Da v quadratisch in diese Gleichung mit eingeht, wirkt sich diese Größe und deren Frequenzabhängigkeit in Bezug auf P(aK) noch stärker aus. Entgegengesetzt verläuft der Strahlungswiderstand: Er steigt quadratisch mit der Frequenz an: Zr  ~ f2. Mittels dieser zwei Gleichungen kann man nun sehr interessante Untersuchungen durchführen, um den Arbeitsbereich eines Lautsprechers näher zu bestimmen.  

Zwei Fälle sind zu unterscheiden, will man die Gleichung untersuchen, und zwar zum ersten das Verhalten unterhalb der Resonanzfrequenz fs  und zum zweiten das Verhalten oberhalb von fs.

  • Die Membrangeschwindigkeit ist zu f proportional, dies fand bereits Erwähnung – also v ~ f.  Wie wir ebenfalls wissen, ist Zr  ~ f2. Beides in die Gleichung Zr x v2  eingesetzt, ergibt P(aK) ~ f2 x f2. Unterhalb der Resonanzfrequenz steigt die akustische Leistung also mit der 4. Potenz der Frequenz, das heißt mit 12 dB pro Oktave an.
  • Die Membrangeschwindigkeit nimmt proportional mit f ab, wie schon erwähnt: f ~ 1/f. Dieses in die Gleichung von oben eingesetzt, ergibt folgendes: P(aK) ~ f2 x 1/ f2 = 1.
     

Dies zeigt nun, dass die akustische Leistung oberhalb der Resonanzfrequenz nicht mehr frequenzabhängig ist. Darum ist dies der eigentliche Arbeitsbereich eines Lautsprechers, der somit mit der Resonanzfrequenz beginnt und dort endet, wo der Strahlungswiderstand nicht mehr mit der Frequenz ansteigt.

Wissenswerte Begriffe rund um den Lautsprecher ...

... ohne den Anspruch auf Vollständigkeit in alphabetischer Reihenfolge:

  • Aktiver Lautsprecher: Lautsprecher mit eingebauter Endstufe, entsprechend: Aktiver Subwoofer, Basslautsprecher mit eingebauter Endstufe. Ein aktiver Subwoofer findet bei 5.1-, 6.1- oder 7.1.Heimkinosystemen Verwendung. Der aktive Subwoofer ist durch den .1-Kanal gekennzeichnet, ihm werden nur die tiefen Frequenzen zugeführt. Daher ist der .1-Kanal kein Vollfrequenzkanal.
  • Bassreflexlautsprecher:  Mit Hilfe einer auf der Gehäuserück-, vorder- oder Unterseite befindlichen Austrittsöffnung wird der nach hinten austretende Schall des Basschassis genutzt. Um eine optimale Wirkung zu erzeugen, ist die Austrittsöffnung speziell an die jeweiligen Eigenschaften des Basschassis angepasst. Vorteile eines nach dem Bassreflexprinzip arbeitenden Lautsprechers: Weniger Verzerrungen im Bassbereich, besseres Volumen und höherer Wirkungsgrad.
  • Chassis: Einzelner Lautsprecher ohne Gehäuse, bestehend aus Lautsprecherkorb, Schwingspule, Magnet, Membran und Sicke.
  • Flankensteilheit: Wichtig im Zusammenhang mit der Frequenzweiche. Beim Erreichen ihrer Grenzfrequenz dämpft die Frequenzweiche die Signalanteile, die nicht mehr durch sie geschleust werden sollen, ab. Wie stark diese Dämpfung ist, hängt von der jeweiligen Filterauslegung ab. Jeder Hoch- oder Tiefpassfilter besteht aus verschiedenen Baugruppen, deren Anzahl die Ordnung und die Stärke der Signaldämpfung, die Flankensteilheit, festlegt. Jedes sogenannte komplexe Bauelement (Induktivitäten, Kapazitäten) verstärkt die Dämpfung um 6 dB pro Oktave, das heißt ein Filter 1. Ordnung (ohne vorgeschaltetes anderes Bauelement) besitzt eine Flankensteilheit von 6 dB pro Oktave, ein Filter 2. Ordnung dann folgerichtig eine Flankensteilheit von 12 dB pro Oktave.
  • Frequenzweiche: Bei Mehrweg-Lautsprechersystemen übernimmt die Frequenzweiche die Aufgabe, die Tonfrequenzen in verschiedene Bereiche aufzuteilen. In der Praxis sieht das so aus, dass jedes Lautsprecher-Chassis (Tieftöner, Hochtöner, Mitteltöner) den Frequenzbereich zugeteilt bekommt, in dem es optimal arbeitet. Zu unterscheiden sind passive Frequenzweichen und aktive Frequenzweichen. Die passive Variante werden zwischen Verstärkerausgang und Lautsprecher geschaltet und arbeiten mit Spulen, Kondensatoren und Widerständen. Hier ist auf hochwertige Baugruppen und auf eine möglichst geringe Anzahl an Bauteilen zu achten, denn im Idealfall soll sich das Tonfrequenzsignal durch das Passieren einer Frequenzweiche nicht qualitativ verschlechtern. Die aktive Frequenzweiche nimmt die schon erwähnte Aufteilung der Frequenzbereiche mit Hilfe einer Verstärkerendstufe für jedes Frequenzband vor.
  • Impedanz: In der Einheit Ohm angegebener Stromwiderstand. Bei Lautsprechern kann aus dem Ohm-Wert geschlossen werden, wie stark ein Lautsprecher den Verstärker in Abhängigkeit zu dessen Ausgangsimpedanz (Innenwiderstand, gibt den Stromwiderstand an, der am Lautsprecherausgang eines Verstärkers anliegt) belastet.

    Ein Verstärker, der z.B. eine Ausgangsimpedanz von 8 Ohm hat, wird beispielsweise von Lautsprechern mit nur 2 Ohm Impedanz sehr stark belastet. Daher sind Verstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz von Vorteil, da diese Verstärker auch 2- oder 4-Ohm-Lautsprecher mit hohen Stromstärken versorgen können. Besondere Anforderungen an die Hochstromfähigkeit des Verstärkers stellt beispielsweise die THX Ultra Norm. Übliche Impedanzwerte sind 4, 6 oder 8 Ohm. 
  • Lautsprecher-Komponenten-Systeme: Zweiweg- oder Dreiweg-Systeme sind die üblichsten, hier werden in ein Lautsprechergehäuse verschiedene Chassis eingebaut, die sich dann jeweils den entsprechenden Frequenzspektren annehmen (z.B. Dreiwege-System mit separatem Hoch-/Mittel-/Tieftöner).
  • Lautsprecherkorb: Er übernimmt die Aufgabe, den Schwingspule und das Magnetsystem aufzunehmen. Er wird dann mit "Inhalt" in das Gehäuse eingebaut
  • Luftspalt: Schmale Einbuchtung im Dauermagneten einer Lautsprechereinheit, in der die Schwingspule schwingt.
  • Maximalbelastbarkeit/Musikbelastbarkeit/Short Term Power: Umschreibt diejenige kurzfristige (max. 2 Sekunden) Impulsbelastbarkeit, die der Lautsprecher ohne Schäden am Material bewältigen kann. Die Wiedergabequalität soll nicht nachhaltig beeinträchtigt
  • Membran: Überträgt die Schwingungen der Schwingspule in die Luft und setzt sie in hörbare Schallwellen um.
  • Schalldruckpegel, auch SPL ( Sound Pressure Level): Umschreibt den von den Lautsprechern erzeugten Lautstärkepegel. Der SPL wird in Dezibel (dB) bei 1 Watt Eingangsleistung in 1 Meter Entfernung gemessen.
  • Nennbelastbarkeit: Die in Watt angegebene Nennbelastbarkeit des Lautsprechers gibt an, welche elektrische Leistung der Lautsprecher im Dauerbetrieb aufnehmen kann. Die Nennbelastbarkeit ist nach DIN-Norm exakt festgelegt, mit einem speziellen Rauschsignal im 1. Min.-An-/2-Min.-Aus-Takt über einen Zeitraum von 300 Std. wird die Nennbelastbarkeit ermittelt. Der Rhythmus des Rauschsignals soll ein typisches Musikprogramm simulieren, hohe Frequenzen sind weitaus schwächer vertreten als tiefe.
  • Oktave: Der musikalische Abstand zwischen einer Frequenz und dem doppelten dieser Frequenz. Der Bereich des menschlichen Gehörs, in dem Töne wahrgenommen werden, liegt etwa zwischen 20 Hz und 20 kHz (bei einem Baby bis 20 kHz, bei einem erwachsenen Menschen bis 16 kHz) und umfasst somit 10,5 Oktaven.
  • Schwingspule: An der Membran befestigt, taucht die Schwingspule in den Luftspalt des Magneten ein. Durch den Stromdurchfluss wird ein magnetisches Wechselfeld aufgebaut, das die Membran nach vorn und hinten bewegt. So werden Stromschwingungen in Luftschwingungen umgesetzt.
  • Subwoofer: Speziell für die Wiedergabe des untersten Teils des Frequenzspektrums zuständiger Basslautsprecher. Im Idealfall soll der Subwoofer lediglich die Frequenzen wiedergeben, die so tief sind, dass sie vom menschlichen Ohr nicht mehr exakt im Hörraum geortet werden können. Dies hat den Vorteil, dass der Subwoofer theoretisch überall im Raum positioniert werden kann, der gesamte Raum wird dann mit einem Bassteppich überzogen, dessen Ursprung vom menschlichen Ohr nicht exakt lokalisiert werden kann.

    Da der Bass Volumen braucht, steigt das Vermögen des Woofers, auch tiefste Frequenzen wiederzugeben, mit dem Volumen des Gehäuses. Eine bei Heimkinoanlagen wichtige Spielart des Subwoofer ist der aktive Subwoofer mit eingebauter Endstufe. Nicht selten kann direkt am Subwoofer die Übernahmefrequenz eingestellt werden, diese umschreibt den Wert, ab dem der Subwoofer die Darstellung der tiefen Frequenzen übernimmt. Die Übernahmefrequenz muss so justiert werden, dass kein "Klangloch" entsteht, in dem der Hauptlautsprecher schon nicht mehr für die Übertragung der jeweiligen Frequenz zuständig ist, der Subwoofer aber noch nicht arbeitet. Es gibt verschiedene Bauarten bei Subwoofern: Den Direktstrahler oder den Downfire-Subwoofer, bei dem der Basslautsprecher auf der Geräteunterseite nach unten abstrahlt. 
  • Superposition: Die Superposition (= Überlagerung) aller Frequenzen inklusive der einzeln nicht hörbaren Obertöne bestimmen die Klangfarbe des jeweiligen Musikinstruments. Das heißt: Auch wenn man die einzelnen Obertöne nicht direkt mit dem menschlichen Gehör (das, wie bereits aufgeführt, Töne von 20 Hz bis ca. 16 kHz aufnehmen kann) wahrnehmen kann, sind sie für den gesamten Klang eines Instruments mit verantwortlich und können so die gesamte, für das jeweilige Instrument typische Klangcharakteristik erst exakt herausstellen. Je nach dem, WIE ein Instrument gespielt wird, ändern sich die Superposition ebenfalls, will heißen: Wenn ich eine beschwingte Symphonie höre, spielt der Geiger sein Instrument anders als bei einem schwermütig-melancholischen Stück, dadurch verändert sich auch die Klangcharakteristik. Dass die Obertöne oder Oberwellen, deren Frequenz über dem obersten direkt hörbaren Frequenzbereich liegen, eine wichtige Rolle spielen, zeigt sich daran, dass eine hohe Sinusfrequenz anders klingt als eine Dreieck-, Sägezahn- oder Rechteckschwingung.
  • Aus diesem Grunde sind auch manche HiFi-Fans der Überzeugung, dass die Schallplatte besser klingt als die CD, weil die Schallplatte eine andere Verteilung und einen anderen Pegel der Oberwellen hat. Dieses Wissen begründet auch die Schaffung neuer hochauflösender Tonformate wie DVD Audio oder SACD. Wenn man Signale aus Summe von Sinusschwingungen darstellt, ist festzustellen, dass, je steiler ein Anstieg im Zeitbereich ist (Beispiel: Flanke eines Rechtecksignals), umso größer muss die Bandbreite sein, um dieses Signal in seiner vollen Charakteristik inklusive der Obertöne zu übertragen.

    Damit spielt nicht nur die Frequenz als solche, sondern auch der Anstieg der Flanke eine Rolle für die notwendige Bandbreite. Im Extremfall hieße das: Bei einem Impuls mit einem unendlich steilen Anstieg müsste auch die Bandbreite des Übertragungskanals unendlich sein, um am Ausgang exakt den selbem Impuls zu erhalten, auch wenn die eigentliche Frequenz weitaus niedriger ist. Letztendlich ist festzuhalten, dass für eine möglichst originalgetreue Reproduktion inklusive den Oberwellen die neuen hochauflösenden Tonformate besser geeignet sind als beispielsweise die herkömmliche CD, deren weitaus geringeres Frequenzspektrum nicht in dem Maße geeignet ist, die Obertöne ins akustische Gesamtprofil einzuarbeiten.
  • Wirkungsgrad (siehe auch Schalldruckpegel): Das Verhältnis von zugeführter elektrischer Leistung zur abgestrahlten akustischen Leistung beschreibt den Wirkungsgrad. Die elektrische Leistung (in W), die ein Lautsprecher aufnimmt, wird, wie schon weiter oben beschrieben, nur teilweise in Schall umgewandelt. Der größere Teil wird in Wärme transferiert oder geht durch Reibungsverluste verloren. Der Wirkungsgrad wird in Dezibel (dB) angegeben, gemessen in 1 Meter Entfernung und bei 1 W Eingangsleistung. In der Praxis hat der Wirkungsgrad eines Lautsprechers eine beträchtliche Relevanz, denn bei gegebener Leistungsaufnahme oder Belastbarkeit hängt die erreichbare Maximallautstärke eines Lautsprechers von dessen Wirkungsgrad ab. 

Akustische Eigenschaften des Hörraums und Einpegelung der Anlage

Natürlich entscheidend für die Wahl des Equipments ist die Größe des Hörraums - je größer der Raum, umso leistungsfähiger sollten die verwendeten Komponenten sein, möchte man Filme oder Mehrkanal-Musikaufnahmen mit kräftigen Pegeln verzerrungsfrei und ohne Leistungseinbrüche genießen. Neben der Raumgröße sind aber auch andere Faktoren entscheidend. Möchte ich z.B. eine Surroundanlage in einem Zimmer mit einer Dachschräge installieren, so beeinflusst die Dachschräge zum einen die akustische Charakteristik des Raums, zum anderen sind der Anbringung der Surroundlautsprecher bezüglich der Höhe und des Abstrahlverhaltens enge Grenzen gesetzt.

Räume mit hohen Decken, wie man die beispielsweise in einem Altbau findet, sind akustisch völlig anders einzuordnen als z.B. ein Wohnzimmer in einem Bungalow. Die Wanddicke und das Material, aus dem die Wände und der Boden/die Decke bestehen, bestimmen ebenfalls die Raumakustik. Habe ich einen Hörraum, der die Reflexionen einer Klangquelle schnell abklingen lässt, dann absorbieren die Wandflächen akustisch stark. Ein solcher Raum, der viel Klangvolumen schluckt, wird in der Akustik als "toter Raum" bezeichnet. Das Gegenteil ist der "lebendige Raum": Hier sind die Wände sehr reflexionsfreudig.

Nach der jeweiligen Charakteristik des Hörraums sollte sich die Auf- und Einstellung der Surroundanlage richten. Wichtig ist es auch bei der Wahl des aktiven Subwoofers, wie sich der Hörraum akustisch verhält. So sind beispielsweise dünne Böden in Verbindung mit einem Downfire Subwoofer problematisch, können so doch unangenehme Resonanzeffekte das Hörvergnügen schmälern. Auch die Entwicklung der Akustik, wenn man den Subwoofer in die Ecke des Hörraums stellt, muss genau überprüft werden.

Bei der Einpegelung der Heimkino-Anlage (am Hörplatz sollte jeder Kanal den gleichen Lautstärkepegel liefern).
Empfehlenwert ist dabei, wenn man Wert auf eine exakte Einmessung legt, einen Sound Pressure Level Meter, kurz SPL-Meter, einzusetzen. Hiermit kann exakt der Schalldruck gemessen werden, noch weitaus genauer, als dies bei der Einpegelung nach Gehör mit dem Testtongenerator oder Einmesssystem des AV-Verstärkers oder -Receivers möglich ist. Hilfreich beim Einpegeln sind "Pink Noise" (Rosa Rauschen)-Testtöne: Diese definierte Prüfsignal hat den Vorteil, dass alle Frequenzen mit dem gleichen Pegel ausgegeben werden. Wichtig ist die richtige Einstellung der Delay-Time (Klangverzögerung): Da zwar in der Theorie alle Lautsprecher die identische Entfernung zum Hörplatz aufweisen sollen, in der Praxis sich aber teilweise gravierende Unterschiede ergeben, muss die Lautzeitverzögerung den Gegebenheiten angepasst werden, um sicherzustellen, dass der Ton bei allen angeschlossenen Lautsprechern nicht zeitversetzt, sondern gleichzeitig ankommt.  

Lautsprecher Kaufberatung

Bevor man Lautsprecher erstehen möchte, sollte man sich über folgende Punkte Gedanken machen:

  • An welchen Verstärker oder Receiver werden die Boxen angeschlossen? Leistungs- und Impedanzwerte im Kopf haben.
  • Wie groß ist der Hörraum? Was für eine Akustik hat er? (Am besten vor dem endgültigen Lautsprecherkauf mit verschiedenen Lautsprechern, z.B. von Freunden oder Bekannten oder vom Händler des Vertrauens, in den "eigenen vier Wänden" experimentieren)
  • Welchen Verwendungszweck sollen die Lautsprecher erfüllen? Hauptsächlich für das Heimkino? Oder hauptsächlich für das Musikhören? Soll überwiegend Musik in DD/DTS 5.1 gehört werden oder in Stereo? Sollen die Lautsprecher auch für DVD Audio oder SACD geeignet sein (erweitertes Frequenzspektrum im Hochtonbereich)
  • Wie stelle ich die Lautsprecher auf? (Problemzonen des Hörraums wie z.B. Dachschrägen oder Erker mit einkalkulieren) 
     

In der Praxis gestaltet sich der Lautsprecherkauf gerade für den Mehrkanal-Neueinsteiger nicht einfach. Wer beispielsweise zu einem der häufig in den Elektroniksupermärkten offerierten Komplettpakete greift, handelt sich nicht selten wenig wertige Lautsprecher als "Dreingabe" ein. Konkret handelt es sich oft um sogenannte Subwoofer-/Satellitensysteme, die aus fünf kleinen Satellitenlautsprechern und einem (inzwischen meist aktiven) Subwoofer bestehen. Auch wenn diese Systeme bei geringem Platz aufgrund ihrer Abmessungen Vorteile bieten, so sind der Klanggüte aus verschiedenen Gründen Grenzen gesetzt:

  • Aufgrund ihrer kompakten Maße und des daraus resultierenden kleinen Gehäusevolumens reichen die kleinen Satellitenlautsprecher im Frequenzgang nicht sonderlich weit nach unten - Folge ist, dass schon früh der Subwoofer eingreifen muss - und dies hört man, da der Tieftonlautsprecher durch die hoch angesiedelte Übernahmefrequenz für das menschliche Ohr im Raum zu orten ist. Ist die Übernahmefrequenz des Subwoofers hingegen zu tief angesetzt, entsteht ein Klangloch, da ein bestimmter Frequenzbereich von den Satellitenlautsprechern nicht mehr und vom Subwoofer noch nicht übertragen wird
  • Aufgrund des Gehäusematerials (bei günstigeren Systemen oft Kunststoff) sind die akustischen Eigenschaften der Satelliten nicht sonderlich überzeugend. Die Transparenz und das differenzierte Aufspielen im Hochtonbereich leidet beispielsweise darunter.
  • Der mitgelieferte Subwoofer weist in vielen Fällen nur sehr bescheidene Leistungsreserven auf und neigt schnell zum Durchschlagen.
     

Fazit: Wer selten oder am besten gar nicht Musik in Stereo hören möchte, wem hohe Pegel nicht sonderlich wichtig sind, oder wer nur einen geringen Platz zur Verfügung stehen hat, ist mit einem Sub-/Sat-System, welches sich, normale Lautstärken vorausgesetzt, zur Filmtonwiedergabe durchaus eignen kann, nicht schlecht bedient. Wichtig aber vor dem Kauf: 

  • Unbedingt Probe hören
  • Auf die Verarbeitungsqualität und die Materialauswahl achten
  • Auf die maximalen Belastungswerte achten und diese in Beziehung zum schon vorhandenen/noch zu kaufenden AV-Receiver setzen
     

Wer gern Musik in Stereo hört, Filme auf DVD in höheren Lautstärken genießen möchte oder auf eine besonders hohe akustische Qualität Wert legt, sollte lieber nach einem "ausgewachsenen" Lautsprechersystem Ausschau halten, bei dem die einzelnen Komponenten (bis auf den aktiven Subwoofer) am besten von einem Hersteller aus ein und der selben Baureihe sein sollten:

  • Für die Frontbeschallung, je nach Platz und Qualitätsanspruch, Stand- oder größere Regallautsprecher verwenden. Dabei auf den Frequenzgang, die Belastbarkeit und die Impedanz der Lautsprecher achten und Boxen wählen, die mit dem Verstärker/Receiver problemlos zusammenarbeiten können. Wer DVD Audio oder SACD genießen möchte, sollte sich Lautsprecher mit besonders gutem Klangverhalten im Hochtonbereich anhören. 
  • Einen ausreichend dimensionierten Centerlautsprecher wählen. Die Bedeutung des Centerlautsprechers wird oft unterschätzt, aber ohne eine ansprechende und natürliche Stimmwiedergabe ist der Filmspass deutlich geschmälert. Auch Effekte, die vorn aus der Mitte kommen, müssen vom Center entsprechend wiedergegeben werden können. Daher auf ein ausreichend großes Gehäuse und hochwertige Chassis achten. Wichtig: Wird der Center in unmittelbarer Nähe zum Fernseher untergebracht, ist eine richtig funktionierende magnetische Abschirmung vonnöten. 
  • Für die Surroundbeschallung entweder Regalboxen als Direktstrahler oder Dipole verwenden. Für welchen Lautsprechertyp man sich entscheidet, hängt vom Einsatzzweck bzw. vom individuellen Geschmack ab. Der Direktstrahler ist beim Abspielen von Musik-DVDs aufgrund seiner höheren Präzision und seinem exakteren Klangbild die bessere Alternative. Mit größerem, weiteren und räumlicheren Klangbild eignet sich der Dipol sehr gut für die Filmtonwiedergabe, da er es versteht, ein Surroundklangfeld von hoher Homogenität und räumlicher Dichte bauartbedingt zu erzeugen. Für denjenigen, der Musik und Filme in gleichermaßen guter Qualität genießen möchte, empfiehlt sich der Kauf von Dipolen und Direktstrahlern. Bei vielen Verstärkern/Receivern von Denon lassen sich direkt zwei Paar Surroundlautsprecher anschließen - ansonsten muss kurz auf der Geräterückseite umgesteckt werden
  • Der aktive Subwoofer sollte in der Leistung nicht unterdimensioniert sein und über ein ausreichend großes Gehäusevolumen verfügen, um eine akkurate Wiedergabe auch sehr tiefer Frequenzen und eine hohe Belastbarkeit sicherzustellen. Für ein richtiges Heimkino sollte die Nennbelastbarkeit des Basslautsprechers nicht unter 100 W liegen.

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