Akustik-Guide

Das vorliegende Special ist als "Upgrade" zu unserer Einführung in die Funktionsweise eines Lautsprechers (Wie funktioniert ein Lautsprecher?) konzipiert. Hier finden Sie ein erweitertes Hintergrundwissen zur Umwandlung elektrischer Signale in Audioinformationen. Dies ist zwar etwas theoretisch und hat vielleicht nicht direkt etwas mit dem Kauf von Lautsprechern oder HiFi-Komponenten zu tun. Aber oft sind es gerade die scheinbar nebensächlichen Informationen die ein Bild vervollständigen und einem vielleicht die eine oder andere Idee oder Anregung vermitteln. In diesem Sinne wünschen wir viel Spaß beim Lesen ...

Lautsprecher sind elementarer Bestandteil jeder Beschallungsanlage, denn Lautsprecher wandeln elektrische in akustische Signale um; elektrische wie akustische Signale sind Träger von Informationen. Die akustischen werden in Gestalt von Schallwellen an unsere Ohren weitergeleitet. Ohren sind unsere Rezeptoren für akustische oder Audioinformationen. Diese werden zum Hirn weitergeleitet und dort als Sprache, Musik oder als Geräusch erkannt. Hätten wir nur ein Ohr, könnten wir den räumlichen Charakter von Audioinformationen nicht realisieren. Wenn unsere Audio-Anlage nur einen einzigen Lautsprecher besäße, könnten wir trotz beider Ohren keine räumlichen Effekte wahrnehmen. Ältere unter den Leserinnen und Lesern werden sich an erste Stereoanlagen erinnern, die über zwei Lautsprecher verfügten; gewöhnlich waren sie ungefähr einen Meter voneinander entfernt.

Da Schallwellen im Freien wie in Räumen wegen  vieler Reflexionen auch von der Seite oder von hinten an unsere Ohren gelangen, genügen für eine räumlich treuere Wiedergabe zwei Lautsprecher nicht mehr.  Daher sind Stereo- von Surround-Lautsprecheranlagen zu unterscheiden. Diese letzten besitzen nach dem Stand der Technik mindestens sechs im Raum verteilte Lautsprecher (im Falle eines 5.1-Lautsprechersystems), die, um ihre jeweilige akustische Aufgabe optimal zu erfüllen, unterschiedlich ausgelegt sind. Richtig aufgestellt und mit nativ in Mehrkanalton abgemischtem und akkurat aufbereitetem Quellmaterial versorgt, erlauben sie eine treue akustische Wiedergabe auch von der Seite, von hinten (Surround/Surround Back) oder von vorn aus der Mitte (Centerlautsprecher). Mit einer gut aufgestellten und korrekt eingepegelten Surroundanlage glaubt man, obwohl nur im eigenen Wohnzimmer, in einem Lichtspielhaus, einem Konzertsaal, einem Opernhaus oder einem Kirchenraum zu sitzen.

Wir befassen uns im Folgenden mit der Ausbreitung von Schallwellen und der grundsätzlichen Funktionsweise von Lautsprechern. Das Wort „Welle“ in Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen – zu denen die Lichtwellen wie die Röntgenstrahlen gehören – weckt Erinnerungen an die uns am besten vertrauten Wellen: die Oberflächenwellen von Wasser. Ein ruhiges Wasser mit glatter Oberfläche wird durch den Wurf eines Steines zu konzentrischen Wellen angelegt, welche die mit dem Eintauchen des Steins in das Wasser verbundene Störung fortpflanzen. Nach außen werden die Wellen immer flacher, bis man sie nicht mehr von der glatten Oberfläche unterschieden kann; die Welle verebbt. Was sich fortpflanzt, ist nicht das Wasser, nicht das Medium, sondern das Signal, hier die durch Einwurf des Steines verursachte Störung der bislang glatten Wasseroberfläche (Figur 1).

Um diese Aussage zu überprüfen, braucht man nur einen Korken bei wellenförmiger Ausbreitung im Wasser zu beobachten: Er hüpft an seiner Stelle auf und ab und bewegt sich nicht von der Stelle. Werfen wir zwei Steine ins ruhige, glatte Wasser, entstehen zwei konzentrische kreisförmige Wellen. Die Oberflächenwellen des Wassers gleichen einer Sinuswelle; die Höhe der Welle ist ihre Amplitude, der Abstand zweier Berge – oder Täler – deren Wellenlänge (Figur 2).

Kommen zwei Wellentäler und zwei Wellenberge zusammen, erhöhen sich die Berge und Täler, fallen Berger und Täler zusammen, löschen sich die Wellen gegenseitig aus. Diese Erscheinungen nennt man Interferenzen; sie sind typische Eigenschaften von Wellen. Je kürzer der Abstand zwischen zwei Wellenbergen ist, desto größer die Frequenz der Welle (Figur 3).

Die Frequenz wird in der Einheit Hertz gemessen. All diese Begriffe kennen wir schon vom Hörfunk. Alte Radioapparate hatten einen Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich. Heute am wichtigsten ist der Ultrakurzwellenbereich. Ultrakurzwellen breiten sich wie Lichtwellen gradlinig aus, während Langwellen den Erdball umspannen.

Kennzeichen aller Wellen sind Beugung und Interferenzen; in unserem Zusammenhang sind vor allem die letzten wichtig. Bei den Oberflächenwellen des Wasser sieht man das Auslöschen von Wellen durch Interferenzen zum Beispiel, wenn sich ein Schiff beim rückwärtigen Ausfahren von der Anlegestelle rasch um seinen Schwerpunkt dreht, um mit dem Bug voraus weiter zu fahren; die Wasseroberfläche hinter dem Schiff wird dann ganz glatt: Berge und Täler haben sich gegenseitig ausgelöscht. Verstärkung wie Auslöschung tritt auch bei Schallwellen auf.

Wellen aller Art können zudem reflektiert und absorbiert werden. Unser bekanntester Lichtreflektor sind unsere Spiegel, der bekannteste Absorber eine schwarze Wand. Glatte Wände in dem Raum, in dem unsere Anlage steht, reflektieren Raumtonwellen und können zu unerwünschten Interferenzen führen. Vorhänge verschlucken einen Teil der akustischen Energie und schwächen unerwünscht das Schallfeld.

Es gibt transversale und longitudinale Wellen. Bei den ersten stehen – wie bei den Oberflächenwellen des Wassers – die Richtung der Wellenausbreitung und die der Schwingung senkrecht aufeinander, bei den zweiten erfolgen die Schwingungen in Richtung oder Gegenrichtung der Ausbreitung. Beim Bungee-Jumping treten zum Beispiel Longitudinalwellen auf, und zwar stark gedämpfte: Der Jumper schwingt wegen der Elastizität des Seils kürzere Zeit mit immer kleineren Amplituden auf und ab bis er zur Ruhe kommt; bei der Aufwärtsbewegung verdickt sich das Seil, bei der Abwärtsbewegung verdünnt es sich. Schallwellen gehören zu den longitudinalen Wellen. Genauer handelt es sich um Verdichtungswellen (Kompressions- oder Druckwellen) der Luft. Dem Wellenberg entspricht ein Zusammendrücken, eine Kompression der Luft – beim Seil dessen Verdicken –, dem Wellental deren Entspannung oder Dilatation (Figur 4), beim Seil dessen Verdünnen.

Die Schallgeschwindigkeit in der Luft ist 343 Meter in der Sekunde und wird bei 20 Grad Celsius gemessen. Im Inneren des Wassers oder eines festen Körpers – zum Beispiel des Bodens unseres Wohnzimmers – breitet sich Schall mit jeweils unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Bei einem Knall – so wenn ein Flugzeug die „Schallmauer“ durchbricht oder eine Explosion stattfindet –, entsteht eine Stoßwelle, die sich mit Überschallgeschwindigkeit in der Luft ausbreitet. Solch ein Geräusch muss ebenfalls – denken wir an Filme oder an Fernsehreportagen – in Stärke und räumlichen Wirkung durch unsere Lautsprecher möglichst originalgetreu übertragen werden. Musik besteht dagegen aus einer Fülle von Tönen. Ein einzelner Ton – etwa das eingestrichene a auf dem Klavier – wird durch eine Sinuswelle veranschaulicht. Je größer deren Amplitude ist, desto lauter der Ton und desto größer die durch das Schallfeld transportierte Schallenergie.

Um nun den Klang einer Orgel, eines Klaviers, einer Trompete oder einer Geige untereinander zu unterscheiden, gibt es die Obertöne; ihre Frequenzen sind ganzzahlige Vielfache der Frequenz des Grundtons. Die Überlagerung von Grundton und Obertönen erzeugt die typische Klangfarbe eines Instruments oder einer Stimme. Bei CD-Playern liegt die oberste noch gespeicherte und damit zu hörende Frequenz bei 20.000 Hertz; diese Grenze entspricht etwa dem physiologischen Hörbereich unseres Ohres. Doch werden durch die Begrenzung der Übertragung auch hochfrequente Obertöne abgeschnitten, die durch ihre Überlagerung mit dem Grundton für die genaue Klangfarbe – trotz der Begrenzung unseres Hörbereichs – wichtig sind. Daher schätzen manche Musikliebhaber noch heute die alten Schallplatten, bei denen auch Obertöne mit Frequenzen über 20 Kilo Hertz noch gespeichert und wiedergegeben werden können.

Um Obertöne mit noch höherer Frequenz als 20.000 Hertz wiederzugeben, braucht es als Medium zum Beispiel eine SACD oder eine Blu-ray Audio, dazu ein entsprechendes Abspielgerät und einen AV-Receiver/-Verstärker, der die Töne, die um ein Vielfaches über die obere Grenzfrequenz einer CD hinausreichen, noch wiedergeben kann. Natürlich müssen auch die verwendeten Lautsprecher besonders gute Hochtöner aufweisen, die das entsprechende Signal dann akustisch zum Hörer transportieren.

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.

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.

Aus mehreren elektro-akustischen Wandlern, also aus mehreren Chassis für Zwei- bis Vierwege-Aufbau, besteht gewöhnlich eine der vorderen Lautsprecher-Säulen, voluminösen Standboxen, Regallautsprechern 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.

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.

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.

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.

Als Ergänzung zu diesem Akustik-Guide empfehlen wir Ihnen unser Hintergrundwissen: Lautsprecher kaufen.