Lautsprecherboxen

Grenzen der Schallreproduktion, siehe auch: Akustik und Psychoakustik

Rein akustisch bedingte Wiedergabefehler sind entgegen landläufiger Meinung 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 eine dafür geeignete Nachhallzeit im Hörraum. Der Lautsprecher sowie dessen akustische Anpassung an das Boxengehäuse und an die freie Schallausbreitung haben unterschiedliche Einflüsse auf die Wiedergabequalität. Lautsprecherboxen interagieren vielfältig mit dem Abhörraum, daher spielt die Raumakustik in Kombination mit dem Lautsprechersystem eine wesentliche Rolle für das Abhörergebnis.

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.

Lineare Wiedergabefehler

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.

Frequenzgang

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 ± 2 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 250Hz bis 2kHz sind ab 0,5dB feststellbar, maximale Unterschiede von 0,25dB 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. 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 kann.

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 +10dB bis −40dB 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.

Phasengang

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.

Impulstreue

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.

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

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 1kHz) liegt der Klirrfaktor selbst bei thermischer Grenzbelastung häufig unter 1%. 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. 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 100dB Arbeitspegel in einem Meter Abstand in der Regel unter 1%. Auch kostspielige HiFi Produkte 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 1% Differenz- und Summentonverzerrungen. 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 Doppler-Effekt. 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.

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.

Raumakustik

Schallreproduktion

Hörräume wechselwirken mit Lautsprechern und erzeugen Klangverfärbungen. Es kommt zu Interferenzen zwischen direktem Schall und reflektiertem Schall, der den Klang verändert. Erst sehr 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.

Korrekturtechniken

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.

Dämpfung durch geringen Speisewiderstand

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.

Die These “Dämpfungsfaktor” ist umstritten. Hierzu lesen Sie bitte: https://sound-au.com/articles/current-drive.htm von Rod Elliott und https://www.current-drive.info/ von Esa Meriläinen.

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 sein sollten. Wichtig ist, dass auch die Impedanz der Schwingspule selbst hier addiert werden muss und der effektiven Dämpfung entgegenwirkt. Aus diesem Grund wird auch mit negativen Ausgangswiderständen von Verstärkern gearbeitet, um den Einfluss der Schwingspulen zu mindern.

Eine Überdämpfung sollte aber nicht stattfinden. So sind Kopfhörer oft bereits mechanisch deutlich bedämpft. Hier können Verstärkerausgänge vorteilhaft durchaus höherohmiger sein, die elektrische Dämpfung also geringer angewendet werden.

Auch hier gilt: Die These “Dämpfungsfaktor” ist umstritten. Hierzu lesen Sie bitte: https://sound-au.com/articles/current-drive.htm#s5 und https://www.current-drive.info/patapp/30.

Dämpfung durch aktive Regelung

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.

Dämpfung durch aktive Regelung der Gesamtmembran

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.

Dämpfung durch Steuerung

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.

Dämpfung durch Rückkopplung aus dem Schallfeld

Eine Regelung des Schallfeldes kann das Signal einer Schallquelle so beeinflussen, dass die linearen Artefakte für genau einen Ort korrigiert werden. Das führt immer an benachbarten Orten zu verstärkten Abweichungen. Sensor ist ein Messmikrofon in unmittelbarer Nähe der Hörposition. Raumresonanzen sowie andere spezifische Eigenheiten des Hörraumes werden in Bezug auf die Position des Messmikrofons hinsichtlich Frequenzlinearität der Wiedergabe weitgehend ausgeglichen. Hierzu wird zum Beispiel das Frequenzverhalten der gesamten Übertragungskette einschließlich des Hörraums mit einem über das hörbare Frequenzspektrum gleitenden Sinus, einem Rauschen oder mit einem oder mehreren steilflankigen Impulsen eingemessen und die Abweichungen werden mit einem elektrisch einstellbaren Equalizer ausgeglichen. Effekte von Resonanzen auf die Impulstreue und von Echos und Laufzeiten auf den Raumeindruck können jedoch nicht vermieden werden.

Es ist technisch nicht möglich, mit Mikrofonen einen elektro-akustischen Regelkreis inklusive des Verstärkers zu bauen. Dies würde es ermöglichen, analog zur Verstärkertechnik auch die nichtlinearen Artefakte deutlich zu reduzieren. Durch die akustischen Laufzeiten und durch die Phasendrehungen im Lautsprecher und im Mikrofon und vor allem durch die Schalllaufzeit zum Mikrofon entsteht ein äußerst instabiler Regelkreis, ganz ähnlich wie man es von der Aufnahmetechnik beim Mikrofon-Rückkopplungspfeifen her kennt.

Siehe auch: Motional Feedback

Zusammenfassung

Diskussionen und Aktivitäten zur Verbesserung der Wiedergabe befassen sich häufig nur mit den linearen Artefakten. Oben wurde dargelegt, dass bei normalen Abhörsituationen gegenüber diesen Fehlern der Lautsprecher die Effekte durch Interferenzen und Reflexionen im Raum überwiegen, sodass außer in reflexionsarmen Räumen auch gute Boxen keine gute Wiedergabe liefern können – die kammfilterartigen Auslöschungen führen dazu, dass bestimmte Frequenzen, die auf dem Tonträger vorhanden sind, schlecht oder nicht gehört werden können.

Die nichtlinearen Artefakte sind demgegenüber weit irritierender, weil zusätzlich Frequenzen entstehen, die in der Aufnahme nicht enthalten sind. Sie werden maßgeblich durch die Lautsprecher verursacht und nicht wie oft vermutet durch den Verstärker oder andere Übertragungsglieder. Sie sind daher ein wesentliches Qualitätskriterium von Lautsprechern, erklären jedoch nur teilweise deren große Preisunterschiede.

Elektrische Eigenschaften

Impedanz

Da ein Lautsprecher mit Wechselstrom betrieben wird, kommt es weniger auf den elektrischen Gleichstrom-Widerstand an, als auf die Impedanz (Wechselstromwiderstand).

Je niedriger die Impedanz, desto höher die Schallleistung, also die Lautstärke des Lautsprechers bei gleicher Spannung. Mit sinkender Impedanz sinkt auch die Spannung, die zum Erreichen der gleichen Lautstärke erforderlich ist, während der Strom sich in gleichem Maße erhöht. Um den erhöhten Strom ohne übermäßige Erwärmung durchleiten zu können, müssen die zum Anschluss des Lautsprechers verwendeten Kabel ebenso wie die Leiterbahnen von Verstärker und Frequenzweiche ausreichend bemessen werden. Verstärker und Frequenzweiche können alternativ auch mit einer entsprechenden Kühlung ausgestattet werden.

Hifi-Lautsprecher werden überwiegend mit 4 oder 8 Ohm Impedanz angeboten, während Kopfhörer oft um die 10 Ohm aufweisen. Bei piezoelektrischen Kopfhörern kann die Impedanz auch mehrere tausend Ohm betragen. Siehe Kopfhörer-Impedanz.

Elektrische Belastbarkeit

„Leistung“ / Musikleistung

Die Belastbarkeit eines Lautsprechers wird durch zwei Effekte limitiert. Zum einen wird wegen des meist geringen Wirkungsgrades die meiste Energie in Wärme umgewandelt, und zwar im Antrieb. Dadurch kann der Lautsprecher thermisch zerstört werden. Zum anderen kann der Antrieb oder die Membran durch zu große Auslenkungen mechanisch geschädigt werden. Dies tritt vor allem bei den tiefsten zulässigen Frequenzen auf.

Die Angabe einer Sinusleistung (Leistung bei einer festgelegten Frequenz), wie sie zum Beispiel bei Verstärkern üblich ist, ist für die Ermittlung der thermischen Belastbarkeit bei Lautsprechern nicht angebracht, da unter Umständen auch bei geringer Temperatur durch zu große Auslenkungen die mechanische Zerstörung einsetzt. Außerdem sind übliche Musiksignale im zeitlichen Mittel eher einem um 3 dB/Oktave abfallenden Frequenzgemisch ähnlich; siehe 1/f-Rauschen (rosa Rauschen). Dabei muss man beachten: Die zulässige thermische Leistung wird mit einem rosa Rauschen, begrenzt auf den angegebenen Frequenzbereich, gemessen und als Mittelwert P RMS angegeben. Das bedeutet, ein Hochtöner für den Frequenzbereich 8kHz bis 16kHz bekommt von der Maximalrauschleistung durch die Filterung nur ein Hundertstel ab.

Für die mechanische Zerstörung ist dagegen sehr wohl ein Sinussignal relevant. Bei Hoch- und Mitteltönern kann man zu große Auslenkungen meistens am drastischen Ansteigen des Klirrens feststellen, für Tieftöner kann man das Erreichen der maximal zulässigen Auslenkung leicht messen. Leider werden diese Daten nie von den Herstellern angegeben, man kann sie jedoch meistens aus anderen Daten berechnen. Typisch geht bei Hoch- und Mitteltönern durch die Frequenzweichen die mechanische Überlastung mit der thermischen einher. Eine Ausnahme sind Horntreiber. Diese sind für kleine Auslenkungen und große akustische Belastung entworfen. Ein Betrieb ohne diese, also unterhalb der Horngrenzfrequenz oder gar ohne Horn, kann zum sofortigen Ausfall trotz noch unkritischer Temperatur führen.

Für einen wirksamen Schutz von Tieftönern ist sowohl der thermische als auch der Auslenkungsgesichtspunkt zu beachten. Hohe Pegel lassen sich nur sinnvoll darstellen, wenn die Schutzvorrichtung auch die Wärmekapazität in Rechnung stellt. So kann beispielsweise ein Tieftöner durchaus für einige zehn Sekunden mit einer Leistungsaufnahme betrieben werden, die deutlich über seiner Dauerbelastungsangabe liegt. Die Schwingspule braucht Zeit, um sich aufzuwärmen. Die kleineren Antriebe von Hochtönern haben erheblich geringere Zeitkonstanten und bedürfen umso mehr der Vorsicht.

Lautsprecher können nicht durch leistungsschwache Verstärker vor Überlastung geschützt werden: Bei Übersteuerung (Clipping) erzeugen diese vor allem ungeradzahlige Harmonische, die bei Mehr-Wege-Lautsprechern zur Überlastung von Mittel- und Hochtöner führen können. Es ist sinnvoll, die Verstärkernennleistung (RMS) höher als die Lautsprecherbelastbarkeit (RMS) zu wählen, da dann die Wahrscheinlichkeit einer Überlastung zumindest geringer ist.

Aus der Angabe einer zulässigen Spitzenleistung kann man – mit dem in den technischen Angaben aufgeführten Wirkungsgrad – einen maximal erzielbaren Schalldruck errechnen. In der Praxis wird der Schalldruck jedoch oft durch Kompression und Verzerrungen auf einen niedrigeren Wert begrenzt, da die Schwingspule den Bereich des homogenen Magnetfeldes verlässt und die Membraneinspannung mechanische Grenzen setzt.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener Schallleistung zu zugeführter elektrischer Leistung. Er kann theoretisch zwischen 0 und 100 Prozent liegen.

Der Wirkungsgrad von typischen Lautsprechern ist erheblich von Baugröße, Verstärkerprinzip und Einsatzzweck abhängig. Er kann weit unter 0,1 Prozent liegen (häufig bei elektrostatischen Lautsprechern), aber auch Werte von 30 bis 40 Prozent erreichen (Hornlautsprecher bei Bühnenbeschallung). Typische HiFi-Lautsprecher liegen im Bassbereich zwischen 0,2 und 1 Prozent. Die restlichen 99,x Prozent werden in Wärme umgewandelt – ein Teil in (passiven) Frequenzweichen, ein Teil direkt in der Schwingspule. Da eine nicht unbeträchtliche Menge an Wärme in der verhältnismäßig kleinen Schwingspule entsteht, kann diese bei fehlenden Vorsichtsmaßnahmen bei einer Überlastung schnell zerstört werden.

Für Lautsprecher wird selten der Wirkungsgrad angegeben, sondern der Kennschalldruckpegel bei einer bestimmten zugeführten Spannung. Bei Passivlautsprechern ist diese Spannung meist 2 Volt (vorzugsweise bei Lautsprechern mit einer Nennimpedanz von 4 Ohm) oder 2,83 Volt (bei 8 Ohm, manchmal auch bei 4 Ohm). Der Kennschalldruckpegel wird als logarithmisches Größenverhältnis in dB auf einen Norm-Schalldruck von 20 µPa (für Luft-Lautsprecher) bezogen.

Den Kennschalldruck kann man nicht in einen Wirkungsgrad umrechnen, die Fehler übersteigen üblicherweise eine Größenordnung. Es ist schon mal ein guter Richtwert, wenn man weiß, dass bei Normaldruck 1 Watt Schallleistung in alle Richtungen abgestrahlt in 1 Meter Entfernung einem Schalldruck von 109 dB entspricht. Erreicht man 89 dB Schalldruck, hat man es mit 1 Prozent Wirkungsgrad zu tun.

Aber: Lautsprecher strahlen mehr oder weniger gerichtet ab – im Bassbereich weniger, im Hochtonbereich stärker. Das Verhältnis zwischen der abgestrahlten Schallleistung eines in alle Richtungen abstrahlenden Lautsprechers und eines realen Lautsprechers nennt man Bündelungsgrad. Der Wirkungsgrad ist um den Bündlungsgrad zu korrigieren. Ein Bündlungsgrad von 12dB bei zum Beispiel 10kHz bedeutet, dass der Wirkungsgrad 16 mal kleiner ist als der Kennschalldruck vermuten lässt. Im Tieftonbereich hängt der Wirkungsgrad außerdem davon ab, ob ein Lautsprecher frei steht (Abstrahlung in den Ganzraum: 4\pi) oder für die Wandmontage konstruiert wurde (Abstrahlung in den Halbraum).

Ein zweiter Punkt ist die erheblich schwankende Impedanz von Lautsprechern je nach Frequenz, zusammen mit der Spannungsspeisung. Eine höhere Impedanz bedeutet eine geringere aufgenommene Leistung, die meist durch einen höheren Wirkungsgrad kompensiert wird.

Ein dritter Punkt sind Phasendrehungen der Impedanz, die keine Wirkleistungen aufnehmen.

Übliche Schallwandler zeichnen sich alle durch einen recht geringen energetischen Wirkungsgrad aus. Dieser liegt hauptsächlich in der fehlenden Anpassung zwischen der elektrischen Impedanz und der Schallimpedanz. Zwar spielen insbesondere in der HiFi-Technik andere Kenngrößen (Frequenzverhalten, Verzerrungen) eine wesentlichere Rolle, jedoch kommt dem Wirkungsgrad aus mehreren Gründen eine Bedeutung zu: Ein wirkungsgradschwacher Wandler (z. B. ein Magnetostat oder ein dynamischer Lautsprecher mit einem schwachen Magneten) benötigt beträchtliche Verstärkerleistung, die als Wärmeleistung von der Schwingspule abgeführt werden muss, damit eine Beschädigung der Spule vermieden wird. Eine erforderliche höhere Verstärkerleistung ist generell nachteilig, verursacht ihrerseits Wärme oder erfordert Verstärker mit hoher Effizienz, die nicht immer auch gute Übertragungseigenschaften besitzen.

Eine effektive Kopplung des Lautsprechers an die Luft (z. B. Bassreflexprinzip, große Schallwand, großes Volumen bei geschlossenen Boxen, Exponentialtrichter) erhöht die Effizienz.

Allerdings kann die Effizienzverbesserung durch bessere Luftankopplung unter Umständen auch zu einem verzerrten Frequenzgang führen: Ausgeprägte Eigenresonanzen kleiner Boxenvolumina oder des Bassreflexweges führen zu einer selektiven Erhöhung der Lautstärke, aber auch zu einer Verschlechterung der Impulstreue.

Große Auslenkungen verursachen unter anderem bei dynamischen Lautsprechern auch hohe Intermodulationsverzerrungen. Großer Wirkungsgrad und gute Schallwiedergabe werden daher mit großen Lautsprechern (geringere Auslenkung bei gleichem Schallpegel) erreicht. Große Bauformen sind jedoch häufig nicht erwünscht und sind teurer.

Quelle

Wikipedia, freie Enzyklopädie, https://creativecommons.org/licenses/, Stand 18.12.2021, Ergänzungen Wolf von Langa, Dezember 2021.

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