Eigenschaften eines Lautsprechers (oder Bau eines Lautsprechers Teil 1)

Dr.-Ing. Peter Strassacker
Email: peter@lautsprechershop.de

Welche Anforderungen sind an den Lautsprecher zu stellen

In der Regel sollte der Lautsprecher ein klangliches Ereignis so reproduzieren, wie es im Original wahrzunehmen war. Das klingt einfach. Dazu kann man folgende einfach klingenden Forderungen aufstellen:

Das klingt plausibel und auch ausreichend. Nachfolgend werden dazu Details und Probleme diskutiert.

Der Lautsprecher ist leider weit davon entfernt ideale Eigenschaften zu zeigen

Oben genannte Anforderungen erfüllen Verstärker nach dem Stand der Technik und auch die Klangquellen (CD, Internetradio, Streaming-Portale, eigener Streamer) praktisch perfekt:

Ein einzelner Schallwandler in einem Lautsprecher (im folgenden Chassis genannt) ist davon weit entfernt: Über den hörbaren Frequenzbereich schwankt seine Lautstärke meist um mehr als 20dB; seine nichtlinearen Verzerrungen erreichen je nach Frequenz und Schalldruck durchaus einige Prozent.

Das Chassis (also der einzelne Schallerzeuger) hat große Probleme den hörbaren Frequenzbereich von ca. 20 Hz bis 20 000 Hz einigermaßen fehlerfrei zu reproduzieren. Daher kam man auf die Idee

zu verwenden.

Was zeichnet den Hochtonlautsprecher aus

Hochtonlautsprecher sollen den oberen Frequenzbereich in Richtung des Zuhörers richtungsunabhängig abstrahlen. Dies begrenzt ihre Größe: Hat die Membran des Lautsprechers einen Durchmesser von 10 cm und soll er eine Frequenz von 10 000 Hz abgeben, so gilt Folgendes:

Ist das Lautsprecherchassis doppelt so groß, so tritt der Effekt der Auslöschung schon bei knapp 10 Grad Winkel auf. Das Gleiche gilt für den ursprünglichen Lautsprecher bei doppelter Frequenz (20 000 Hz): Auslöschung bei knapp 10 Grad.

Das ist der Grund warum man Hochtonlautsprecher meist sehr klein macht: Kalottenhochtonlautsprecher haben Membrandurchmesser von meist unter 3 cm, wodurch es im hörbaren Bereich unter beliebigem Winkel keine Auslöschung gibt.

Mehrere Hochtonlautsprecher sind meist nicht zweckmäßig, da hier auch das Problem der Schallauslöschung unter gewissen Winkeln auftritt. Bändchenlautsprecher mit vertikal angeordneter Membran bündeln den Schall horizontal, so dass der Hörer etwa in der Höhe des Lautsprechers hören sollte (bei senkrecht eingebautem Bändchen).

Was zeichnet den Tieftonlautsprecher aus

Bei tiefen Frequenzen hat man ein ganz anderes Problem: Der Wellenwiderstand des Lautsprechers passt nicht zum Wellenwiderstand der Umgebung. Je kleiner die Lautsprechermembran desto schlechter löst sich der Schall von der Membran (mit Halbierung der Membranfläche halbiert sich auch der Wirkungsgrad des Lautsprechers). Für eine Frequenz von 20 Hz (17,11 m Wellenlänge) wäre ein Tieftonlautsprecher mit demselben Membranumfang, also ca. 5 Meter Durchmesser optimal.

Im HiFi-Bereich sind Lautsprecherchassis mit Durchmessern von 17 bis 30 cm realistisch und üblich.

Verbindung von Hoch- und Tieftonlautsprecher

Beide werden durch eine Frequenzweiche angesteuert, deren Eigenschaft auf die beiden Chassis, auf das Gehäuse und auf die spezielle Einsatzumgebung des Lautsprechers abgestimmt sein sollte. Dazu wird es eine separate Beschreibung geben.

Eigenschaften des Lautsprechers mit Hoch- und Tieftonlautsprecher

Die Auswahl des Hochtonlautsprechers und des Tieftonlautsprechers können erfolgen nach:

Wechselwirkung zwischen Raum und Lautsprecher

Ein Raum ist durch Wände, Fenster, Durchgänge, Decke und Boden begrenzt, die unterschiedlich reflektieren. Durch die Reflexion der einzelnen Teile wird die Wiedergabe stark beeinflusst. Eine starke Reflexion bewirkt, dass das Signal (Musik, Sprache) völlig unverständlich wird. Eine sehr geringe Reflexion (das ist gleichbedeutend mit einer hohen Absorption der Randbereiche) wirkt unnatürlich.

Abhängig von den Raumeigenschaften und der Abstrahlcharakteristik des Lautsprechers kommen somit frequenzabhängig mehr oder weniger zusätzliche Töne zum Direktschall des Lautsprechers ans Ohr.

Sind die Reflexionen im Raum für das Klangerlebnis eher störend, so ist ein Lautsprecher mit geringem Abstrahlwinkel zu bevorzugen. Ist der Raum gut bedämpft, dann ist oft ein breiterer Abstrahlwinkel wünschenswert, so dass man im Raum nicht nur einen guten Hörplatz hat.

Frequenzabhängiger Abstrahlwinkel

Wie bereits zuvor im Kapitel Was zeichnet den Hochtonlautsprecher aus beschrieben, kann der Abstrahlwinkel mit zunehmender Frequenz halbiert werden oder umgekehrt sich mit abnehmender Frequenz vergrößern.

Im unteren Frequenzbereich von 20 bis 50 Hz (auch Tiefbass genannt mit Wellenlängen von ca. 6 bis 17m) strahlt der Lautsprecher kugelförmig (also in alle Richtungen) ab. Dies führt dazu, dass hier nicht nur der Direktschall, sondern auch der von der rückwärtigen Wand reflektierte Schall eine bedeutende Rolle spielt.

Frequenzabhängiger Abstrahlwinkel und wandnahe Aufstellung

Werden die Lautsprecher direkt an eine reflektierende Rückwand gestellt, so wird der Bass stärker betont, als wenn der Lautsprecher von der Wand abgerückt oder sogar einige Meter entfernt steht. Dies kann dazu führen, dass der Lautsprecher wumpsig klingt.

Die ganz tiefen Töne kann man bei einem Bassreflexlautsprecher durch das Verschließ oder das Verlängern der Bassreflexöffnung in ihrer Intensität mildern. Viele Verstärker bieten über einen Bassregler an den Bass bis in den unteren Mitteltonbereich abzuschwächen. Idealer ist jedoch ein digitaler Signalprozessor, der nach belieben Abschwächungen zulässt.

Der Digitals Signalprozessor (DSP)

Der digitale Signalprozessor ermöglicht die Anpassung des Lautsprechers an die Eigenschaften des Raumes (z.B.: frequenzabhängige Reflexionen im Raum, die man korrigieren will). Heute wird er oft eingesetzt um:

Gerade die letzte Aufgabe: Einen billigen Lautsprecher zu einem guten Lautsprecher zu machen, funktioniert nur eingeschränkt. Der Frequenzgang des Lautsprechers kann durch einen DSP leicht korrigiert werden. Nichtlineare Verzerrungen (Klirr) oder Resonanzen (Lautsprecher schwingt nach) sind jedoch kaum zu kompensieren, falls man nicht direkt die Membran abtastet, was selten gemacht wird.

Fazit

Ein Lautsprecher sollte hochwertige Chassis enthalten (z.B.: Hochton-, Mittelton- oder Tieftonlautsprecher oder auch einen Breitbandlautsprecher). Diese müssen nicht unbedingt teuer sein, sollten aber:

Und dann kommt es natürlich auch auf das Geschick des Entwicklungsteams an:

Und schließlich beim Kunden: