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Lautsprecher – Wikipedia

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Hochtöner

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Hauptthemen des neuen Artikels:    

Impedanz ✓ Bewegung ✓ Lautsprecher ✓ Frequenzen ✓ Wiedergabe ✓ Belastbarkeit ✓ Informationen ✓ Bereich ✓ Effekte ✓ Seite ✓ Signal ✓ Membran ✓ Überlastung ✓ Regelung ✓ Spule

Zusammenfassung:    

Erst seit Albert Thiele und Richard Small die nach ihnen benannten Thiele-Small-Parameter festlegten, ist es möglich, die Eigenschaften von Lautsprechern bereits in der Entwurfsphase vorauszuberechnen – nicht zuletzt, was den Einfluss des jeweils gewählten Gehäuses betrifft. Das Prinzip ist theoretisch nahezu perfekt: Plasmalautsprecher arbeiten praktisch verzögerungsfrei, kennen keine mechanischen Beeinträchtigungen wie Trägheit, Materialresonanzen oder Vor-/Nachschwinger und liefern einen linearen Frequenzgang bis weit über den Hörbereich hinaus. Von Grenzfällen wie Soundboards abgesehen (hier werden Teile einer Zimmerwand durch Exciter – siehe unten, Abschnitt „Sonstige Varianten“ – zum Schwingen gebracht), sind solche Biegewellenlautsprecher ziemlich teuer und werden daher hauptsächlich im hochpreisigen Hi Fi-Segment angeboten.

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hier wird eine (aus Stabilitätsgründen konusförmige) Membran von einer mittigen Schwingspuleneinheit angetrieben. Hochtonlautsprecher[2 ] wiederum müssen rascheren Impulsen folgen; kleine Membranen wirken außerdem der zunehmenden Schallbündelung bei höheren Frequenzen entgegen. Daher haben Hochtöner meist eine kalottenförmigen Membran, bei der die Schwingspule am Außenrand ansetzt. Da die Membran grundsätzlich als akustischer Dipol arbeitet – den Schall also ebenso nach vorne wie nach hinten abstrahlt –, kann jedoch (abhängig von ihrem Durchmesser in Relation zur wiedergegebenen Frequenz) ein akustischer Kurzschluss entstehen. Um die wechselseitige Auslöschung der front- und rückseitig abgegebenen Schallanteile zu vermeiden, müssen solche Wandler daher meist in Gehäuse eingebaut werden: In der Praxis betrifft das mehr oder weniger alle Lautsprecher dieser Bauart, die nicht ausschließlich hohe Frequenzen wiedergeben sollen. Zur möglichst unverfälschten Wiedergabe des Originalsignals ist unter anderem ein annähernd geradliniger Frequenzgang erforderlich. Nun bilden aber die vielen Komponenten (einschließlich der Luft) ein hochkomplexes Masse-Feder-System: Gewicht und Steifigkeit der Membran sind dafür ebenso ausschlaggebend wie die Nachgiebigkeit von Sicke/Spinne, und auch die Werte des Antriebs (Felder von Spule und Magnet) beeinflussen maßgeblich das Verhalten des Lautsprechers. Erst seit Albert Thiele und Richard Small die nach ihnen benannten Thiele-Small-Parameter festlegten, ist es möglich, die Eigenschaften von Lautsprechern bereits in der Entwurfsphase vorauszuberechnen – nicht zuletzt, was den Einfluss des jeweils gewählten Gehäuses betrifft. Querschnitt durch einen Gegentakt-Magnetostat (schematisch): In der Darstellung verläuft das magnetische Statorfeld horizontal, die Membran wird senkrecht zur Schnittebene von Strom durchflossen, die Lorentzkraft wirkt vertikal und lässt die Membran vertikal zwischen den akustischen Durchbrüchen schwingen. Sehr niederohmig, da Antrieb nur eine lange durchgehende dünne Folie. Magnetostatische Lautsprecher sind entgegen ihrem Namen elektrodynamische Lautsprecher. Sie funktionieren nach dem gleichen Grundprinzip der Tauchspulen-Lautsprecher. Sie sind nicht mit elektrostatischen Lautsprechern zu verwechseln, die ein anderes Antriebsprinzip nutzen und auch ganz anders angesteuert werden (müssen). Hier wird die Schwingspule nicht auf einem separaten Träger montiert, sondern direkt auf die Membran aufgebracht (Folien-Magnetostaten) oder gleich ganz weggelassen: Beim klassischen „Bändchen“ wirkt das elektrische Signal auf die Membran selbst. Der großflächige Antrieb und das eingesparte Gewicht – die Membran braucht keinerlei Steifigkeit und kann daher hauchdünn ausfallen – sorgen für beste Impulstreue und Detailauflösung. Allerdings muss sich der Schall seinen Weg zwischen den umgebenden Magneten (hier: Magnetstäben) bahnen. Deren Feldstärke limitiert wiederum die Auslenkung der Membran, und mit zunehmender Fläche – wenn sie auch tiefere Frequenzen wiedergeben soll – stellen sich, wie bei allen Membranen, Bündelungseffekte ein. Magnetostatische Lautsprecher werden heute hauptsächlich im Hoch- und Mitteltonbereich eingesetzt. Als Membranmaterial findet hier meist Aluminium Anwendung (etwa zehn µm, also etwa Alufolie). Die Folie wird vertikal vom Signal durchflossen und befindet sich im Statorfeld von Permanentmagneten, deren Feldlinien horizontal verlaufen; die resultierende Lorentzkraft bewegt die Membran vor und zurück und führt zur Schallabstrahlung – ähnlich wie bei allen dynamischen Wandlern. Als technische Hürden erweisen sich dabei jedoch einerseits die extreme Empfindlichkeit des Materials (irreversible Überdehnung bei zu hoher Lautstärke) und andererseits die geringe Impedanz: Der minimale Innenwiderstand der Folie würde jeden normalen Verstärker durchbrennen oder abschalten lassen, weshalb diese Lautsprecher mit einem zusätzlichen Übertrager ausgestattet werden müssen. Als Membran fungiert hier eine Kunststofffolie, auf die eine Leiterbahn (meist aus Aluminium) aufgebracht wird, welche ihrerseits die Schwingspule darstellt. Ein Vorteil gegenüber dem klassischen Bändchen besteht darin, dass sich die Impedanz in verstärkerfreundlichen Regionen bewegt (4–8 Ohm), weshalb solche Lautsprecher ohne Übertrager direkt angeschlossen werden können. Als Membranmaterial stehen diverse zähe – also belastbare – Kunststoffe zur Auswahl. Folienmagnetostaten kann man daher deutlich größer bauen, wodurch sich ihr Einsatzbereich Richtung tieferer Frequenzen erweitert. Dem Bündelungseffekt großflächiger Membranen wird oft durch einen gebogenen Aufbau des ganzen Lautsprechers begegnet. Für eine ernsthafte Basswiedergabe reicht es jedoch trotz allem nicht. Die meisten Magnetostat-Boxen enthalten daher einen zusätzlichen Tauchspulenwandler für die Tieftonreproduktion. die begrenzte Auslenkbarkeit: Die Membran wird (samt aufgebrachter Antriebsspule) ziehharmonikaartig gefaltet. Statt vor und zurück bewegt sie sich zwischen den Magnetstäben durch parallele Kontraktionen. Die Luft wird von den sich öffnenden und schließenden Zickzack-Falten abwechselnd angesaugt und hinausgepresst. der niedrige Widerstand: Statt einer durchgängigen Folie besteht der Antrieb aus einer nichtleitenden Folie, auf welche die Antriebsspule mäanderförmig aufgebracht ist. Auf diese Art kann mit vergleichsweise geringer Membranbewegung ein Vielfaches an Schalldruck erzeugt und eine Kennimpedanz von vier bis acht Ohm erreicht werden, was den sonst notwendigen Transformator überflüssig macht. Andererseits müssen die umgebenden Magnetstabgruppen weiter auseinander liegen als bei anderen Magnetostaten, weil die gefaltete Membran mehr Platz braucht – und durch die wesentlich größere Gesamtfläche wird sie auch schwerer. Air-Motion-Transformer sind daher bis heute nur als Hochtöner im Handel. Elektrostaten nutzen die Coulomb-Kraft statt der Lorentzkraft als Antrieb. Es wird eine hohe Ansteuerspannung statt eines großen Ansteuerstroms benötigt. Weiterhin muss diese an sich hochnichtlineare Kraft (k2 = einhundert %) durch Nutzung einer Vorspannung und des Gegentaktprinzips linearisiert werden. Konstruktiv wird diese Form des Antriebs so gut wie immer mit Flächenlautsprechern kombiniert. Die Spannung wird nicht einer Elektrode zugeführt, sondern liegt immer zwischen Elektroden an. Verschiedene Formen der Ansteuerung sind möglich. Hier wird das Prinzip des Magnetostaten quasi umgekehrt. Das Signal liegt nicht an der Membran, sondern den umgebenden Elementen an: zwei Elektrodengittern (auch Statoren genannt), die im Gegentakt arbeiten. Elektrostaten (kurz: „ESL“) nutzen die elektrostatische Anziehungskraft. Die straff montierte Membranfolie wird unter eine hohe konstante Spannung gesetzt (zwischen 1.000 und 5.000 Volt). Was Probleme bezüglich der Auslenkung oder der Schallbündelung bei höheren Frequenzen betrifft, gleichen Elektrostaten ihren magnetostatischen Pendants hier ebenso wie in deren klanglichen Vorzügen. Allerdings muss ein deutlich höherer technischer Aufwand betrieben werden – und ohne separate Stromversorgung aus der Steckdose funktionieren sie nicht. Diese Bauart wurde zu einer Zeit entwickelt, als man noch keine ausreichend starken Permanentmagneten herstellen konnte, wie sie für großflächige Magnetostaten notwendig sind. Lautsprecher wie der legendäre Quad-Elektrostat (1957) waren die ersten Wandler mit Folienmembran, die annähernd das gesamte menschliche Hörspektrum abdeckten. Piezo-Lautsprecher nutzen den piezoelektrischen Effekt. Ein Piezokristall ändert seine Dicke proportional zur angelegten Spannung. Piezoelemente arbeiten somit bereits als direkt schallabstrahlende Wandler. Wegen der vergleichsweise geringen Lautstärke finden sie sich als alleinige Schallgeber jedoch nur in Kleingeräten, etwa als Summer. Wo mehr Pegel gefordert ist, wird das Element mit einer Konusmembran versehen, die ihrerseits in ein Horn strahlt. Im HiFi-Bereich werden Piezolautsprecher so gut wie gar nicht eingesetzt. An ihrem Impedanzverlauf scheitern übliche Frequenzweichen, und die heftigen Resonanzen der Wandler (meist im Bereich von 1–5 kHz) ermöglichen dann keine verzerrungsfreie Wiedergabe. Tatsächlich sind diese Probleme jedoch leicht zu umgehen: Nach Parallelschaltung eines passenden Widerstandes lässt sich ihr Frequenzspektrum wie gewohnt filtern. Neben dem Ultraschall-Einsatz zur Vertreibung von Insekten oder als Marderabwehr finden Piezolautsprecher daher auch als HiFi-Wandler Anwendung; oberhalb ihrer Resonanzfrequenz klingen sie ebenso sauber wie hochwertige dynamische Hochtöner. Das Konstruktionsprinzip stammt aus der Frühzeit der Audiotechnik. Es wird entweder eine Eisenmembran bewegt, die den Schall direkt abstrahlt (siehe Bild), oder ein von einer Spule umschlossener Eisenstab schwingt vor dem Luftspalt eines Dauermagneten und ist mit einer Papiermembran verbunden. Solche Wandler (auch funktionsgleiche, magnetische Mikrofone) wurden beispielsweise in der militärischen Kommunikation eingesetzt; in Morse-Kopfhörern und Telefonhörern fanden sie ebenfalls Verwendung. Wegen ungenügender Wiedergabequalität (blechener Klang, hoher Klirrfaktor) werden elektromagnetische Lautsprecher seit den 1930er-Jahren kaum mehr verwendet. Man fand sie in den 1980er-Jahren noch in Kinderspielzeug. Sie sind die einzigen Lautsprecher, die elektrische Signale ohne Umweg über Festkörper wie Schwingspulen oder Membranen direkt in Schallwellen übertragen. Sie erzeugen zwischen zwei Hochspannungselektroden ein Luftplasma, dessen Feld im Signaltakt amplitudenmoduliert schwingt, und nutzen so die Eigenschaft der Luft, sich bei Erwärmung auszudehnen und bei Abkühlung wieder zusammenzuziehen. Das Prinzip ist theoretisch nahezu perfekt: Plasmalautsprecher arbeiten praktisch verzögerungsfrei, kennen keine mechanischen Beeinträchtigungen wie Trägheit, Materialresonanzen oder Vor-/Nachschwinger und liefern einen linearen Frequenzgang bis weit über den Hörbereich hinaus. Einschränkungen der idealen kugelförmigen Abstrahlung ergeben sich zwangsläufig durch jene Bauteile, die das Plasma erzeugen und quasi „im Weg“ stehen. In der Praxis gab es anfangs Probleme mit der Geruchsbelästigung (wegen der Bildung von Ozon), was jedoch gelöst werden konnte. Der Hauptgrund, warum Plasmalautsprecher heute kaum mehr eine Rolle spielen, sind DIN-Normen, welche unter anderem die elektromagnetische Verträglichkeit betreffen: Die Regeln schreiben eine Abschirmung vor – etwa durch umgebende Metallgitter –, wodurch viele akustische Vorteile dieser Wandler ad absurdum geführt werden. Hornlautsprecher können auf einem beliebigen Wandlerprinzip beruhen. Hornlautsprecher strahlen Schall nicht direkt, sondern über ein vorgeschaltetes Horn ab. Dies erhöht den Wirkungsgrad, indem es den Übergang des Schalls aus einem dichten Medium (Membran) in das dünne Medium (Luft) kontinuierlicher gestaltet. Horntreiber können zusätzlich mit einer Druckkammer kombiniert werden, diese stellt eine Verengung der Schallführung vor dem eigentlichen Horn dar. Druckkammern steigern den Wirkungsgrad weiter, erhöhen allerdings den Klirrfaktor. Die animierte Grafik stellt einen Horntreiber mit einer zusätzlichen Druckkammer dar. Horntreiber unterscheiden sich insofern von anderen dynamischen Lautsprechern, als sie für den Betrieb mit einem frontseitig anzubringenden Horn optimiert werden. Sie haben daher unter anderem keinen Montagering zur Fixierung in einer Schallwand, sondern einen (genormten) Anschlussflansch. Ihr Korb besteht aus einer weitgehend geschlossenen Hülle, die sich vor der Membran verjüngt. Der obligate Hornvorsatz sorgt für eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades, beeinflusst jedoch auch den Frequenzgang sowie das Abstrahlverhalten. Im PA-Bereich werden Schallführungen und Hornvorsätze zum Erhöhen des Wirkungsgrades häufig eingesetzt. In der HiFi-Praxis werden Horntreiber nur für die Schallreproduktion vom Mitteltonbereich aufwärts angeboten. Während die Membran bei Konuslautsprechern möglichst steif sein soll, um eine kolbenförmige Bewegung zu gewährleisten, nutzen Biegewellenwandler gerade die Verformbarkeit: Die Wellen breiten sich auf der Membran, konzentrisch vom Ansatz der Schwingspule ausgehend, wie auf einer Wasseroberfläche aus. Dafür muss zum Beispiel die Sicke – genauer gesagt: die Aufhängung der Membran am Außenrand – anders gebaut werden; der Rand schließt mit einem Wellenwiderstand ab, damit Reflexionen vermieden werden. Die Unterdrückung unerwünschter Partialschwingungen ist neben der geringen Schallausbeute eines der größten Probleme solcher Lautsprecher. Andererseits glänzen sie mit homogener Wiedergabe und breitem Abstrahlverhalten. Neben den bekannten Flachmembranen, die Josef Wilhelm Manger entwickelte, arbeiten heute auch andere Lautsprecherkonstruktionen nach diesem Prinzip (siehe unten, Abschnitt „Rundumstrahler“). Von Grenzfällen wie Soundboards abgesehen (hier werden Teile einer Zimmerwand durch Exciter – siehe unten, Abschnitt „Sonstige Varianten“ – zum Schwingen gebracht), sind solche Biegewellenlautsprecher ziemlich teuer und werden daher hauptsächlich im hochpreisigen HiFi-Segment angeboten. Um der Schallbündelung entgegenzuwirken, strahlen solche Konstruktionen zumindest horizontal (möglichst) omnidirektional ab. In den meisten Fällen wird das jedoch über Gehäuseelemente realisiert, zum Beispiel mit Hilfe von Dispersionskegeln, die man vor konventionelle Wandler montiert. Von sich aus omnidirektionale Lautsprecher sind sehr selten. Bislang kommen nur Plasmalautsprecher (siehe unten) dem theoretischen Ideal einer kugelförmigen Abstrahlung nahe. Eine immerhin kreisförmige Abstrahlung bieten andere spezielle Lautsprecher, etwa von German Physiks oder MBL. Erstere nutzen die „Rückseite“ einer langgestreckten Konusmembran, die nach dem Biegewellenprinzip arbeitet; bei Letzteren wird ein Lamellenring im Takt des Signals gestaucht. Ihr Vorteil bei der HiFi-Wiedergabe liegt im gleichmäßigen Abstrahlverhalten, das den Hörer nicht auf einen Punkt im Stereodreieck festlegt. Andererseits werden raumakustische Effekte verstärkt, was die Abbildungspräzision beeinträchtigt: Die von den Zimmerwänden reflektierten, laufzeitdifferenten Schallanteile überlagern sich mit den bereits in der Aufzeichnung enthaltenen Rauminformationen. Rundumstrahlende Lautsprecher werden nur zur Wiedergabe des Mittel- und Hochtonbereiches eingesetzt, da in der Praxis auch konventionelle Wandler niedrigere Frequenzen bereits annähernd kugelförmig abstrahlen. Subwoofer stellen für Bass und Tiefbass spezialisierte Lautsprecherboxen dar, die zusammen mit Satellitenboxen erst das vollständige Spektrum wiedergeben. Exciter stellen als membranlose Schwingungsanreger[3] eine Sonderform des Lautsprechers dar. Sie werden wie normale HiFi-Wandler von entsprechenden Verstärkern angetrieben, benötigen jedoch ein festes Medium als „Membran“ – das heißt, sie müssen erst an einem Objekt fixiert werden, das sie in Schwingung versetzen. In der Praxis können sie zum Beispiel hinter Wandpaneelen montiert werden, wodurch Teile der Zimmerwand dann als „unsichtbare Lautsprecher“ agieren.[4] Solche Kombinationen arbeiten im Prinzip als Biegewellenwandler. Andere Typen werden – zur Ergänzung des Klangbildes, statt eines Subwoofers – an Sitzmöbel geschraubt, wo sie Körperschall erzeugen und so durch tieffrequente Vibrationen das subjektive Bass-Empfinden des Zuhörers verstärken. Sogenannte Parabollautsprecher hingegen sind keine eigenständigen Wandler, sondern nutzen nur die Bündelung durch mechanische Reflektoren. Beispiele dafür sind „Soundduschen“ (im Ausstellungsbereich für lokal begrenzte Audio-Information eingesetzt) oder – im militärischen Kontext – Schallkanonen. Die Bezeichnung Flachlautsprecher wiederum wird in so vielen unterschiedlichen Zusammenhängen gebraucht, dass sie praktisch nichts aussagt. Es können damit ebenso dynamische Wandler mit gerader statt konusförmiger Membran gemeint sein wie per Exciter betriebene Wandelemente (siehe oben) oder Lautsprecher, die statt in Boxen direkt in eine Zimmerwand montiert werden (wodurch ihre Wiedergabecharakteristik annähernd dem Einbau in eine unendliche Schallwand entspricht). Von oben nach unten: Koaxialchassis aus zentralen Kalottenhochtöner und einem Konus-Mitteltöner, der gleichzeitig als Waveguide eingesetzt wird; Invers-Konus (selten, wird in manchen Rundstrahlern verwendet); vier verschiedene Ausführungen von Konus-Lautsprechern; Invers-Kalotte ; Kalotte ; Ringstrahler Dynamische Lautsprecher (das sind zum einen Tauchspulen-Lautsprecher wie auch sogenannte Magnetostaten) nutzen die Lorentzkraft als Kraft zwischen einem Stator-Magneten und einem stromdurchflossenen Leiter (als Spule oder als auf die Membran aufgebrachte Leiterbahnen ausgeführt) aus. Damit F∼I{\displaystyle F\sim I } ist, muss sich immer die gleiche Spulenlänge im Magnetfeld befinden. Erreicht werden kann dies mittels folgender drei Anordnungen: Lautsprecher mit Überhangspule: Die Spule ist länger als die Polplattenhöhe. Bis zu einer gewissen Grenzauslenkung wird nur ein (gewisser) Teil der Antriebsspule genutzt. Anwendung bei fast allen Lautsprechern, die erhebliche Auslenkungen durchführen müssen. Der Fluss des Statormagneten wird komplett genutzt, die der Spule nur teilweise, da sich Teile außerhalb deren Magnetfeld befinden. Lautsprecher mit Unterhangspule: Die Spule ist kürzer als die Polplattenhöhe. Bis zu einer gewissen Grenzauslenkung befindet sich die Antriebsspule immer komplett zwischen den Polplatten. Anwendung bei fast allen Lautsprechern, die nur geringe Auslenkungen durchführen müssen. Der Fluss der Spule wird komplett genutzt, die des Statormagneten nur teilweise, da Teile nicht von einer Spule ausgefüllt sind. Hybride Lösung : Bis zur halben Auslenkung der Schwingspulenhöhe befindet sich immer die halbe Schwingspule zwischen den beiden Polplatten. Der Antrieb ist aufwändig, weist aber eine große Symmetrie auf, was ungeradzahlige Harmonische reduziert. So weisen Antriebskraft und Induktivität eine von Antriebsstrom und Auslenkung unabhängigeren Wert auf. Der Antrieb kann durch zwei Zentrierspinnen (nicht eingezeichnet) gehalten werden. Der Fluss des Statormagneten wie der Spule wird je zur Hälfte genutzt. Der Fluss des Statormagneten wird allerdings zweimal genutzt, muss allerdings auch zwei Luftspalte überwinden. Die geometrischen Flächen heutiger dynamischer Lautsprechermembranen sind zur Vermeidung von Knickschwingungen in sämtlichen Richtungen gekrümmt (sog. nicht abwickelbare Flächen): Schnittdarstellung eines Kalotten-Hochtöners Schnittdarstellung eines Basslautsprechers Kalottenlautsprecher: Membran und Antriebsspule haben (meist) den gleichen Durchmesser. Eingesetzt wird dieses Prinzip im Wesentlichen bei Hochtonlautsprechern, manchmal auch bei Mitteltonlautsprechern. Übliche Größen sind neunzehn mm bis achtundzwanzig mm für Hochtonlautsprecher, fünfzig mm bis sechsundsiebzig mm für Mitteltonlautsprecher. Die Kalotte ist meist konvex (erhabener Dome), manchmal aber auch konkav (Inverskalotte). Arbeitsbereiche beginnen bei 19-mm-Hochtonlautsprecher bei etwa 3 kHz, bei 76-mm-Mitteltonlautsprechern bei 450 Hz (Werte sind Richtwerte). Konuslautsprecher: Die Membran hat einen wesentlich größeren Durchmesser als die Antriebsspule und ist konkav. Eingesetzt wird dieses Prinzip im Wesentlichen bei Tief- und Mitteltonlautsprechern. Übliche Größen beginnen bei zehn cm und enden bei fünfundvierzig cm. Tieftonlautsprecher und Subwoofer haben eher größere Durchmesser, Mitteltonlautsprecher, aber auch Tieftonlautsprecher für kleinere Boxen, sind eher kleiner. Flachmembranen: Eine weitere Möglichkeit sind Flachmembranen. Diese werden entweder vollflächig angetrieben (z. B. bei Flächenlautsprechern) oder man nutzt durch geschickte Konstruktion gedämpfte Biegeschwingungen zur Schallabstrahlung aus. Rein akustisch bedingte Wiedergabefehler sind entgegen landläufiger Meinung sehr wohl messbar, und deren Auswirkungen auf das Hörerlebnis sind, soweit es nicht die Aufnahme des Schallereignisses durch das menschliche Ohr betrifft, abschätzbar. Eine Grundvoraussetzung für gute Audiowiedergabe ist, dass die Lautsprechersysteme elektrisch korrekt an einen geeigneten Audioverstärker mit möglichst geringer Ausgangsimpedanz angeschlossen sind. Die Quelle, etwa der CD-Spieler oder Schallplattenspieler, der Audioverstärker und der Lautsprecher sowie dessen akustische Anpassung an das Boxengehäuse und an die freie Schallausbreitung haben unterschiedliche Einflüsse auf die Wiedergabequalität. Diese Thematik wird kontrovers diskutiert. Zu einem Hörerlebnis gehören neben der Aufnahme durch das Ohr auch sensorische Wahrnehmungen der Erschütterungen des Körpers über den Boden oder den tieffrequenten Schall. Sie können nur mit Vollkörpersimulationen erfasst werden. Zudem fließen in großem Maße individuelle Hörgewohnheiten, Vorlieben, die aktuelle Befindlichkeit des Hörers und schließlich dessen Gehörzustand in die Beurteilung des Hörerlebnisses mit ein. Lautsprecherboxen interagieren zudem vielfältig mit dem Abhörraum, daher spielt die Raumakustik in Kombination mit dem Lautsprechersystem eine wesentliche Rolle für das Abhörergebnis. Lineare Wiedergabefehler sind pegelunabhängige Fehler. Sie treten bei allen Schallpegeln auf. Weiterhin entstehen keine im Original nicht vorhandenen Frequenzen. Dieser letzte Punkt ist entscheidend für die Unterscheidung von linearen und nichtlinearen Fehlern. Mathematisch lässt sich durch Additionstheoreme zeigen, dass nur im Falle nichtlinearer Fehler neue Frequenzen im Spektrum entstehen. 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 nicht unterscheidbar, Abweichungen bis etwa ± zwei dB, sofern sie nur schmalbandig sind, gelten hörtechnisch als nicht störend. Je breitbandiger diese Verfärbungen sind, desto eher sind sie hörbar und störend. Anhebungen einzelner Frequenzbänder sind besser hörbar und störender als Absenkungen. Linearer Frequenzgang wird mit Mehrwege-Lautsprecherboxen oder entsprechend breitbandigen Wandlern erreicht. Hörraum und Boxengeometrie sowie die Lautsprecherdämpfung durch den Verstärker und die Dämmung der Box haben neben dem Lautsprecher 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 meist anders konstruiert und aufgestellt sind als die zugehörigen Frontlautsprecher. Die Empfindlichkeit ist unterschiedlich: Fehler vorn sind deutlicher zu hören als hinten. Am empfindlichsten ist das menschliche Ohr gegenüber Links-Rechts-Abweichungen. Vorn-Hinten- oder Oben-Unten-Fehler sind für das menschliche Ohr weniger deutlich wahrnehmbar. Abweichungen im Bereich 250 Hz bis 2 kHz sind ab 0,5 dB feststellbar, maximale Unterschiede von 0,25 dB sind daher anzustreben, jedoch kaum zu erreichen. 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 Hörer 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- und Hochtonbereich oft stark abhängig von der Frequenz, was im Heimbereich durch Verstetigung des Abstrahlverhaltens („Constant Directivity“) vermieden werden sollte. Hier sind Kalottenhochtöner vorteilhaft, denn 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 einem schmalen Raumwinkel abzustrahlen, um deren größere Luftdämpfung bei größeren Entfernungen auszugleichen. Während nahestehende Hörer dann außerhalb des Hauptabstrahlkegels der Hochtonlautsprecher (z. B. Hornlautsprecher) 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. Reflexionen bringen im Hallraum sehr große Pegelschwankungen mit sich, die durchaus im Bereich zehn dB bis −40 dB liegen können. Besonders bei höheren Frequenzen ergeben sich durch die Überlagerung von Direktschall und mehrfachen Reflexionen äußerst komplizierte räumliche Schallfelder. Bei Wiedergabe eines Sinustons können diese Pegelunterschiede beim Umhergehen deutlich wahrgenommen werden. 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 Lautsprecher betrieben wird. Das menschliche Gehör ist für Phasendrehungen, wie beispielsweise durch ein Allpassfilter hervorgerufen, relativ 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 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 bezüglich 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 beitragen. Als Impulstreue wird das Vermögen eines Lautsprechers bezeichnet, bei einem impulsförmigen Signal dessen Zeitverlauf mit möglichst wenigen Ein- und 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. Soll eine Lautsprechermembran einen Impuls erzeugen, schwingen nicht alle Flächenelemente gleichzeitig Plötzliche Einschwingvorgänge lösen Bewegungen der Lautsprechermembran aus, die wellenförmig nach außen laufen. Dadurch wird noch Schall abgestrahlt, obwohl der Impuls längst zu Ende ist. Im Regelfall ist der Rand nicht mit der korrekten Wellenimpedanz abgeschlossen, daher wird die Welle reflektiert und verlängert den Impuls weiter. Die Impulstreue wird neben der Lautsprecherqualität (möglichst weiche Aufhängung einer möglichst steifen Membran, großer Koppelfaktor beziehungsweise Wirkungsgrad) und dessen Montage (Boxengeometrie und gute Dämpfung) wesentlich auch durch die möglichst niederohmige Speisung der Schwingspule bestimmt. Ist der Innenwiderstand des Verstärkerausganges und der Widerstand der Lautsprecher-Anschlussleitungen (und einer eventuellen Frequenzweiche) insgesamt zu hoch, führt der Lautsprecher umso ungedämpfter weitere Schwingungen mit seiner Eigenresonanz aus, die nicht Inhalt des Musiksignals 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 bzw. 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 beziehungsweise der Box verursacht werden. Hier kommen auch Laufzeitunterschiede hinzu, die durch Reflexionen auf verschiedenen Wegen oder mehrere, weit entfernt aufgestellte Lautsprecher verursacht werden und auch die Impulsantwort bei hohen Frequenzen verfälschen und bis zur Unverständlichkeit von Sprache führen können. Effekte durch Mehrfachreflexionen sind nicht Gegenstand dieses Artikels. Hingegen können Laufzeiteffekte, die aus der Wiedergabe mit mehreren, unterschiedlich weit vom Hörer aufgestellten Lautsprechern herrühren, vermieden werden, wenn die Lautsprecher alle in eine Richtung abstrahlen und man sie zeitverzögert entsprechend ihrer Entfernung von der Bühne ansteuert. Nichtlineare Wiedergabefehler sind im Wesentlichen pegelabhängige Fehler. Hauptursache ist die Nichtlinearität des elektromechanischen Motors aus Spule und Magnetsystem. Bei hohen Schallpegeln ist zudem die Schallausbreitung in der Luft nichtlinear, was sich typischerweise bei den Hornlautsprechern für Großbeschallung bemerkbar macht. Die nichtlinearen Verzerrungen werden üblicherweise als Frequenzspektrum angegeben, weil das Gehör die Nichtlinearitäten weitgehend genauso wahrnimmt. Man sagt, die Nichtlinearität „erzeugt zusätzliche Frequenzen“ – je nach Art und Stärke der Störung unterschiedliche mit verschiedenen Pegeln. Klirrfaktor – Der Klirrfaktor ist die bekannteste und am einfachsten zu messende nichtlineare Verzerrung. Im Hochtonbereich (ab etwa eins kHz) liegt der Klirrfaktor selbst bei thermischer Grenzbelastung häufig unter eins %. Der Grund sind die sehr geringen Membranauslenkungen bei hohen Frequenzen. Solche Klirrfaktoren sind zum Beispiel bei Sinustönen noch wahrnehmbar. Die zu Grunde liegende Nichtlinearität macht sich jedoch viel unangenehmer durch Differenztöne bemerkbar. Bei tiefen Frequenzen nimmt die Auslenkung jedoch um Größenordnungen zu und führt zu nichtlinearen Effekten, unter anderem aufgrund nichtlinearer Kräfte der Aufhängung oder insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die Tauchspule den Luftspalt teilweise verlässt. Hinzu kommen parasitäre Schwingungen innerhalb der Membran, die ebenfalls zu Oberwellen führen. Im Bild rechts ist dieser Anstieg des Klirrfaktors hin zu niedrigen Frequenzen etwa auf das Zehnfache gut zu sehen. Bei sehr tiefen Tönen bleiben Klirrfaktoren bei Musikwiedergabe oft unbemerkt, bei Sinussignalen treten sie jedoch deutlich zutage, da die Oberwellen im Bereich großer Hörempfindlichkeit liegen. Bei professionellen, transportablen Lautsprechern liegen die Klirrkomponenten selbst bei über einhundert dB Arbeitspegel in einem Meter Abstand weit unter eins %. Auch kostspielige Produkte für den Endkonsumenten können dagegen bereits bei Zimmerlautstärke an sich schon hörbare Verzerrungen aufweisen. Inwieweit die auditorische Qualität eines Lautsprechers wesentlich von den verschiedenen Nichtlinearitäten abhängt, ist eine offene Frage, siehe unter anderem die Arbeiten von Geddes/Lee. Amplituden-Intermodulation – Die gleichen Ursachen, welche die harmonischen Verzerrungen hervorrufen, sind, wie sich mathematisch leicht ergibt, grundsätzlich auch Anlass für Intermodulation. Beim Lautsprecher wirken viele nichtlineare Teile zusammen. Die direkte Ableitung der Intermodulation aus den harmonischen Verzerrungen ist deshalb kaum möglich. Die Darstellung der Intermodulation ist aus dem gleichen Grund sehr schwierig. Dagegen wird diese Art der Verzerrung bei geringeren Anteilen als beim Klirr schon als störend empfunden. Professionelle Anlagen erreichen beim üblichen Arbeitspegel unter eins % Differenz- und Summentonverzerrungen. Stärker kompromissbehaftete Konsumlautsprecher erzeugen je nach Größe und Frequenzbereich bei Arbeitspegel auch mehr als 10 %. Frequenz-Intermodulation – Weil sich die Membran zur Erzeugung des Schalls bewegen muss, ändert sich ihre Lage ständig relativ zum Übertragungsmedium. Die ständige Lageänderung wirkt auf die Schallwelle wie eine Modulation der Phase, besser bekannt als Dopplereffekt. Dieser tritt umso stärker auf, je breitbandiger der Lautsprecher bzw. je höher die Aussteuerung des Pegels ist. Insbesondere hohe Frequenzen, die durch Partialschwingungen der Membran erzeugt werden, unterliegen dabei dem Hub der Basstöne. Der Lautsprecher stellt dann eine abwechselnd auf den Hörer zukommende bzw. sich von ihm entfernende Schallquelle im Maß der momentanen Membranauslenkung dar. Hohe Frequenzen erfahren dabei eine Schwebung (also eine Verstimmung) im Rhythmus der ihr unterlagerten, tieferen Frequenzen, was sich als Rauheit im Klangbild bemerkbar machen kann.[5 ] Dynamikkompression – Dynamikkompression tritt auf, wenn der Lautsprecher sich seiner Aussteuerungsgrenze nähert, und ist ebenfalls im teilweisen Verlassen des Magnetspaltes durch die Tauchspule oder durch die mechanische Begrenzung der Auslenkung durch die Aufhängung begründet. Kleinere Hörräume wechselwirken mit Lautsprechern und erzeugen Klangverfärbungen. Es kommt zu Interferenzen zwischen direktem Schall und reflektiertem Schall, der den Klang verändert. Erst große (ab einigen tausend Kubikmetern) und gut ausgelegte Räume weisen geringe Klangverfärbungen auf. 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 klar, dass das Schallfeld eines Aufnahmeraumes auf keinen Fall im normalen Hörraum reproduziert werden kann und dass das Optimieren des Frequenzganges im echoarmen Raum im Falle des normalen Hörraumes relativ uninteressant ist. Diese Effekte treten auch bei anderen Schallquellen auf, etwa bei einem Sprecher oder einem Musikinstrument an Stelle des Lautsprechers. Die Verfälschungen sind immer vorhanden und gehören zur Alltagserfahrung, es ist kein Zufall, dass das Gehör unempfindlich gegenüber solchen Störungen ist. 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. Zur rechnerischen Betrachtung dienen auch die Thiele-Small-Parameter. Damit eine Optimierung mit den im System verteilten Parametern durchgeführt werden kann, wurden verschiedene Korrekturtechniken entwickelt. Diese lassen sich grob in Steuerungen und Regelungen differenzieren. Impedanz verschiedener Lautsprechertreiber (Visaton PAW46 und Peerless H26TG35-06) : Im Bereich der Resonanzfrequenz kommt es Rückwirkungen der Membranbewegungen zu einem Impedanzanstieg, im oberen Bereich durch die Induktivität der Schwingspule. Siehe auch Diagramm mit vier Treibern. 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 der Momentanwert der Ausgangsspannung infolge einer Rückwirkung vom Lautsprecher, führt die Gegenkopplung den Wert auf denjenigen des Steuersignals zurück. Der Verstärkerausgang stellt für den Lautsprecher idealerweise eine Quellimpedanz des Wertes null dar. Jeder dynamische Lautsprecher ist vereinfacht ein gedämpftes Feder-Masse-System, das eine Grundresonanz und infolge unterschiedlicher Schwingungsmodi der Membran immer auch Partialschwingungen bei höheren Frequenzen aufweist. Infolge der sich in Betrag und Phase ändernden Impedanz belastet der schwingende Lautsprecher den Verstärker im Vergleich zu einem ohmschen Widerstand anders. So wirkt ein dynamischer Lautsprecher immer auch wie ein elektrischer Generator. Wichtig ist das zumal bei schwach mechanisch bedämpften Lautsprechern im Bereich ihrer Grundresonanz. Die erzeugte Spannung ist oft gegenüber der Speisespannung phasenverschoben. Die auf den Verstärker rückwirkende Spannung wird durch den zumeist sehr geringen Innenwiderstand des Verstärkerausgangs mehr oder weniger kurzgeschlossen, und die Dämpfung des Lautsprechers steigt. Hieraus folgt, dass Lautsprecher, Lautsprecherkabel und Verstärker nicht nur hinsichtlich ihrer elektrischen Leistung dimensioniert werden müssen, sondern dass die Quellimpedanz des Verstärkers und die Impedanz des Kabels (und die vom Lautsprecher her gesehene Impedanz einer eventuellen Frequenzweiche) klein gegenüber dem Lautsprecherwiderstand (unbewegt) sein sollten. Bei aktiven Lautsprechersystemen gibt es Anordnungen, welche die Bewegung messen, meist nahe dem Antrieb (Schwingspule). Dafür sind Lautsprecherchassis mit einem dynamischen, piezoelektrischen- oder kapazitiven Sensor entwickelt worden. Mit dem Signal des Sensors wird versucht, das Antriebssignal geeignet vorzuverzerren. Damit wird zumindest im Bereich des Sensors eine Membranbewegung erzeugt, die dem gewünschten Audiosignal (Schalldruck) besser entspricht. Die Partialbewegungen (an anderen Stellen der Membran) werden dadurch kaum beeinflusst. Es gibt Versuche, mit einer oder mehreren Messspulen näher am Rand der Membran oder metallisierten Membranoberflächen hinter einem Metallgitter und Messung der Kapazitäts- oder Ladungsänderungen zwischen Membranoberfläche und isoliert befestigtem Metallgitter bessere und genauere Korrektursignale zu gewinnen. Diese einige Zentimeter vom Zentrum entfernten Sensoren liefern wegen der endlichen Geschwindigkeit der Wellenausbreitung in Richtung Rand zeitversetzte Signale, die eine schnelle Regelung unmöglich machen. Eine langsame Regelung im Bassbereich erscheint möglich. Technisch gesehen handelt es sich um eine Regelung mit Totzeit, die immer als problematisch und ungenau gilt. Eine „Bewegung der Gesamtmembran“ gibt es wegen der Vielzahl an Partialschwingungen nicht und kann deshalb auch nicht „gemessen“ werden. Es bleibt unklar, was genau metallisierte Membranoberflächen hinter einem Metallgitter messen. Es ist physikalisch unmöglich, die Partialschwingungen in ihrer Gesamtheit durch einen geänderten Antrieb der Schwingspule zu unterbinden. Ziel der Membranvorauskorrektur ist, manche Wiedergabefehler des Gesamtsystems zu korrigieren, indem aus dem Eingangssignal und gemessenen Parametern des Systems ein Korrektursignal erzeugt und an einer geeigneten Stelle mit umgekehrtem Vorzeichen zum eigentlichen Audiosignal addiert wird. Der Lautsprecher wird also mit einem vorverzerrten Signal gespeist. Auch diese Methode kann nicht beliebig große Fehler kompensieren – also aus einem schlechten schmalbandigen Lautsprecher kein HiFi-System machen – und besitzt Limitationen mathematischer Art.
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