Lautsprecherbox

Eine Lautsprecherbox (Lautsprechersystem) ist ein akustisches System, das zur Beschallung in Räumen oder im Freien eingesetzt wird, wobei oftmals mehrere Exemplare gemeinsam zum Einsatz kommen. Eine Box besteht im Allgemeinen aus einem Lautsprechergehäuse und einem oder mehreren darin eingebauten Lautsprechern (auch Chassis oder Treiber genannt). Häufig enthält sie außerdem eine Frequenzweiche, Dämmstoff und weitere Einbauten. Eine Lautsprecherbox wird in Fachkreisen oftmals auch als Ganzes Lautsprecher genannt. In englischsprachigen Ländern wird das aus dem Englischen stammende Wort Box für Behälter, Dose oder Schachtel generell nur selten für eine Lautsprecherbox benutzt. Dort sind die Bezeichnungen loudspeaker oder speaker allgemein gebräuchlich.

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Lautsprecher in einem Gehäuse

Arten von Lautsprecherfronten

Die Gestaltung der Lautsprecherfront, d. h. die Form des Frontpanels wie die Lage von Grenzflächen (Kanten) des Gehäuses wirken sich, wenn sie nicht wesentlich größer als die Wellenlänge sind, entscheidend auf den Direktfrequenzgang und die Richtcharakteristik aus. Dieser Fakt wird meistens vergessen oder verschwiegen, obwohl der genauso wichtig wie Lautsprecherwahl und Abstimmung des Gehäuses ist.

Die Auswirkungen der Lautsprecherfront auf den Frequenzgang eines ansonsten idealen Lautsprecher können bei ungünstigen Formen (die man ab und zu sogar in der Praxis findet) beträchtlich sein. Möglich sind Schwankungen im Bereich zwischen -1 dB und +10 dB. Auf einer unendlich großen Schallwand montiert, hätte das Lautsprecher einen exakt linearen Frequenzgang bei +6 dB. Kleine, kantige, zum Lautsprecher symmetrische Gehäuse sind ungünstig. Große, abgerundete oder angefaste, mit leichten Asymmetrien versehene Gehäuse zeigen einen deutlich gutmütigeren Frequenzgang, der sich vergleichsweise einfach entzerren lässt. Diese Entzerrung nennt man Schallwandentzerrung oder Baffle-Step-Entzerrung.

Eine geschickte Schallwandgestaltung führt zu einem ähnlich gutmütigen Verlauf wie der einer Kugel, der zu einem Direktschallfrequenzgang von ±0,5 dB führt. Allerdings bleibt ein negativer Effekt bestehen. Für hohe Frequenzen wird insgesamt weniger Schall in den Raum abgestrahlt als für tiefe Frequenzen, weil bei hohen Frequenzen nur der vordere Halbraum angeregt wird, bei tieferen Frequenzen dagegen der gesamte Raum.

Flache Schallwand / Halbraum-Strahler / Vollraum-Strahler

4-Wege-Hi-Fi-Lautsprecher mit schräger Schallwand

Lautsprecher können auf einer flachen Schallwand montiert sein. Sie sollten dabei eingelassen sein, da Kanten zu zusätzlichen Reflexionen und damit Welligkeiten des Frequenzganges führen. Ist die Schallwand wesentlich kleiner als die Wellenlänge (was z. B. meistens im Bassbereich der Fall ist), wird die Schallenergie in einen Raumwinkel von 4π abgestrahlt, d.h. in den Vollraum. Ist die Schallwand wesentlich größer als die Wellenlänge (was z. B. überwiegend im Hochtonbereich der Fall ist), wird die Schallenergie in einen Raumwinkel von 2π abgestrahlt, d.h. in den Halbraum. Der Schallpegel erhöht sich dabei um 6 dB (kohärentes Überlagern der Schallquelle und der gespiegelten Phantomschallquelle), die Schallleistung aber nur um 3 dB.

Der Übergang zwischen diesen beiden Verhaltensweisen wird als Baffle Step bezeichnet, für einen linearen Direktschallfrequenzgang muss er entzerrt werden, indem dem Lautsprecher für tiefere Frequenzen 6 dB mehr Energie zugeführt wird. Die ins Diffusfeld abgegeben Strahlungsenergie steigt dabei um 3 dB.

• Montage auf einer kleinen Schallwand:

Bei Montage eines Lautsprecher auf einer kleinen Schallwand, die nicht wesentlich größer als die Wellenlänge ist, erhält man einen sogenannten 4π-Strahler. Übliche Lautsprecher arbeiten im Tief- und Grundtonbereich in dieser Betriebsart.

• Montage auf Schallwand:

Bei Montage eines Lautsprecher auf einer großen Schallwand erhält man einen 2π-Strahler. Der Schalldruck steigt um 6 dB, die abgestrahlte Schallleistung um 3 dB.

Wandeinbau

Die Schwankungen der Direktivität im Bass (2π), Grundton (4π) und Mittenbereich (2π) kann man durch wandnahe Aufstellung, Aufbau an der Wand oder Wandeinbau eliminieren. In diesem Fall ist in jedem Frequenzbereich der Lautsprecher (maximal) ein 2π-Strahler, d.h. er hat einen Richtfaktor von 3 dB. Allerdings muss dann die Box auf diese Aufstellung abgestimmt sein. Bei Aktiv-Monitoren ist dazu häufig ein Bass-Equalizer vorhanden (nicht zu verwechseln mit Bass-Roll-Off).

Wave-Guide / flaches Horn

• Wave-Guide: Auch kurzes Horn genannt. Gegenüber einem 2π-Strahler wird die Schallabstrahlung in eine flache Mulde gelegt. Das erhöht den Kennschalldruck in dB/W/m. Bei geeigneter Formgebung kann eine konstante Bündelung im Arbeitsbereich erzielt werden und außerdem können die Probleme der Kantendiffraktion an den Gehäusekanten ausblendet werden.

Klassisches (langes) Horn

• Klassische Horn-Lautsprecher: Der Lautsprecher wird über ein langes Horn an die Umgebung angekoppelt, was neben der Schallbündelung – im Gegensatz zum Waveguide – mit einer Verbesserung der Anpassung der Strahlungswiderstände verbunden ist. Mit einem Horn-Lautsprecher können sehr hohe Kennschalldrücke von >100 dB/W/m erreicht werden, allerdings steigt - außer bei sehr großen Systemen - die Gefahr von Resonanzen und Nichtlinearitäten. Hornlautsprecher sind bei richtiger Dimensionierung zudem in der Lage, eine über die Frequenz konstante Richtwirkung zu generieren, da sie entlang des Hornverlaufes, vom Hornhals bis zum Hornmund, der Wellenfront alle Membrandurchmesser zur Verfügung stellen.

Früher besaßen Kinos Hornlautsprecher hinter der Leinwand, deren Öffnung das Format dieser besaß. Diese Systeme kamen mit ihrem hohen Wirkungsgrad der geringen Verstärkerleistung entgegen, boten jedoch eine vergleichsweise hohe Tonqualität. Für Stereofonie sind sie nicht geeignet.

Mehrwege-Systeme

3½-Wege-Hi-Fi-Lautsprecher, Canton

Sinn von Mehrwege-Systemen

Für tiefere Frequenzen ist der maximale Schallpegel eines Lautsprecher-Chassis abhängig vom maximalen Verschiebevolumen (Hubraum) und damit auch von der Membranfläche. Im Tieftonbereich sind daher große Membranen notwendig. Diese sind jedoch aus folgenden Gründen ungeeignet zur Wiedergabe hoher Frequenzen:

• Hohe Frequenzen (kurze Wellenlängen) werden mit im Allgemeinen ungewünschter Direktivität wiedergegeben (ungleichmäßige Bündelung).
• Wellenlängen kleiner als der Durchmesser können die Membran zu Partialschwingungen anregen.
• Laute tieffrequente Signale intermodulieren auch hochfrequente Anteile, was dann hörbar ist.

Um das hörbare Spektrum abzudecken, werden üblicherweise in einer Lautsprecherbox mehrere Lautsprecher-Chassis mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen eingesetzt.

Üblich sind 2- bis 4-Wege-Systeme. Die Anzahl der Wege ist dabei kleiner oder gleich der Anzahl der eingesetzten Lautsprecher. Manche Hersteller (z. B. Thiel) zählen zu den „Wegen“ allerdings auch Wege mit gemeinsamem Antrieb, die in unterschiedlichen Frequenzbereichen verschiedene Membranbereiche antreiben. Da dieses aber im Grunde bei allen Lautsprechern auftritt (eigentlich bei allen aktuellen Tiefmitteltönern) schafft diese Zählweise nur Verwirrung und sollte vermieden werden.

Für unterschiedliche Frequenzbereiche können verschiedene Lautsprecherformen verwendet werden. Die Konstruktionsmerkmale sind dabei:

• Membrandurchmesser,
• Membranform/Membranmaterial,
• Schwingspulenüber-/-unterhang, maximale Auslenkung,
• Schwingspulendurchmesser,
• Membranmasse,
• Aufhängung,
• Antrieb.

Übliche Bauformen bestehen aus:

• Kalottenlautsprechern mit 0,5 Zoll (13 mm) bis 3 Zoll (76 mm) für die Wiedergabe von Hoch- und Mittelton,
• Konuslautsprechern mit 5 cm bis 60 cm für die Wiedergabe von Hochton bis tiefsten Frequenzen,
• Magnetostaten mit 2 cm bis 8 cm Größe für die Wiedergabe von Hoch- und Mittelton.

Reduzierung der wirksamen Membranfläche am oberen Ende des Übertragungsbereichs

Bei tiefen Frequenzen schwingt die Lautsprechermembran als Ganzes. Bei höheren Frequenzen ist das nicht mehr der Fall. Membranbereiche mit größerem Abstand zum Antrieb (Schwingspule) schwingen mehr und mehr phasenverschoben und mit anderer Amplitude. Gut bedämpfte Membranen aus weicheren Materialien neigen zu einer starken Bedämpfung von Membranbereichen, die sonst phasenverschoben abstrahlen würden, bei harten Membranen (Metall, Keramik) hat man teilweise den entgegengesetzten Effekt – die Membran schwingt teilweise stärker als bei niedrigeren Frequenzen, was zu unschönen Spitzen im Frequenzgang führt, die durch aufwendige Weichen bedämpft werden müssen.

Bei gut bedämpften Membranen reduziert sich die Amplitude von schwingspulenfernen Membranbereichen. Weiterhin kann dieser Effekt durch geeignete Membranformgebung (Krümmungsradien) unterstützt werden. Das führt bei Konuslautsprechern zu einer Reduktion der effektiven Membranfläche bis hin zur von der Schwingspule eingeschlossenen Fläche. Bei typischen Kalotten tritt dieser Effekt nicht auf, Membrandurchmesser und Schwingspulendurchmesser sind dort meistens identisch.

Dieser Effekt ist für die Qualität eines Lautsprecher bedeutend, durch ihn kann der Arbeitsbereich des Lautsprecher deutlich vergrößert werden, da

• Partialschwingungen reduziert werden (statt verkehrt schwingt ein Membransegment überhaupt nicht mehr),
• die Bündelung der Schallabstrahlung reduziert wird (weil die effektive Membran kleiner wird).

Allerdings gibt es auch negative Eigenschaften, die solche weichen Membranen mit sich bringen:

• Nichtlinearitäten (Klirrfaktor) steigen an.
• Bei starker Belastung können unkontrollierte (chaotische) Bewegungen der Membran auftreten, die eine flatternde Wiedergabe bewirken.

Entgegen üblicher Meinung tritt der Effekt der Reduzierung der wirksamen Membranfläche nicht nur bei Breitbändern, sondern auch bei größeren Konus-Mitteltönern und -Tiefmitteltönern auf. Ein heutzutage häufig verwendeter 18-cm-Mitteltöner wäre ohne diesen Effekt bis 1000 Hz einsatzfähig (alpha ≈ 1,7).

1-Weg-System/Breitbandlautsprecher

Ein Hi-Fi-Lautsprecher mit Breitbandlautsprecherchassis

Die bei Lautsprecherboxen seltenen 1-Weg- oder Breitbandlautsprechersysteme verwenden lediglich einen Lautsprecher, mit dem versucht wird, den gesamten Audio-Frequenzbereich abzudecken. In der Regel ist dies nur eingeschränkt möglich, da sich die Anforderungen für eine ideale Wiedergabe der verschiedenen hörbaren Frequenzen zum Teil widersprechen. Zu den Problemen, die sich bei der Konstruktion einer solchen Lautsprecherbox ergeben, gehören

• die starke Bündelung hoher Frequenzen,
• Intermodulation und
• Dopplereffekte.

Andererseits bieten HiFi-Lautsprecher mit Breitbandsystemen auch klangliche Vorteile gegenüber Mehrweglautsprechern: Vor allem bieten sie eine präzisere räumliche Abbildung des musikalischen Geschehens, was sich physikalisch auf das Fehlen von Übergangseffekten zwischen den einzelnen Wegen zurückführen lässt. Allerdings können solche Boxen ihre Vorzüge nur bei kleinen Schallpegeln (bis etwa Zimmerlautstärke) ausspielen, oberhalb davon fallen die Nachteile zu stark ins Gewicht. Um eine angemessene Tieftonwiedergabe zu erreichen, kommen dabei häufig Bassreflex-Gehäuse oder Transmissionline-Gehäuse zum Einsatz. Allgemein gilt daher, dass die Konstruktion eines hochwertigen 1-Weg-Systems noch komplexer ist als die eines entsprechenden 2-Wege-Systems.

In der Vergangenheit wurde zum Teil versucht, mit speziell gebauten Membranen den prinzipbedingten Nachteilen zu begegnen. Der nicht mehr erhältliche Vollbereichspunktstrahler FRS20 der Firma Pfleid zum Beispiel setzte als Membran eine Titankalotte ein, die in einem Gummiring eingefasst war, der an seinem äußeren Rand die übrige Papiermembran ankoppelte. Hohe Frequenzen passierten die Gummisicke nicht und wurden nur vom inneren Teil des Lautsprechers wiedergegeben.

Bei Anwendungen, die nicht auf die HiFi-Wiedergabe abzielen, wie z.B. Taschenradios, Telefon-Monitorlautsprecher oder Systeme für Lautsprecherdurchsagen für große Gebäude wie Schulen, stellen einfache 1-Weg-Boxen eine kostengünstige Lösung dar, zumal der für die Sprachwiedergabe relevante Frequenzbereich von 300 Hz bis 3 kHz problemlos durch einen einzelnen Mittel-Breitbandlautsprecher abgedeckt werden kann.

2-Wege-System

2-Wege-Bassreflex-Lautsprecher (NuLine 30)

Üblich sind ein Konus-Tiefmitteltöner mit 12 bis 22 cm Korbdurchmesser und eine Hochtonkalotte mit 19 bis 28 mm Membrandurchmesser oder ein Bändchenhochtöner; Konushochtöner sind eher selten. Bei den üblichen passiven Systemen wird den Lautsprechern eine Frequenzweiche vorgeschaltet, die jedem einzelnen Lautsprecher ein bestimmtes Spektrum der gesamten musikalischen Information zuordnet. Üblicherweise wird zwischen 2 und 5 kHz getrennt und somit versucht, einen harmonischen und gleichmäßigen Übergang zu erzielen. Fast alle Kompaktlautsprecherboxen sind 2-Wege-Systeme. Eine Besonderheit sind derartige Systeme mit zwei parallel betriebenen Tiefmitteltönern in D'Appolito-Anordnung.

2½-Wege-System

Ein 2½-Wege-System entsteht durch die Erweiterung eines 2-Wege-Systems um einen separaten Tieftöner, dem aber nur etwa die Hälfte des Tieftonanteils zugeführt wird. Die andere Hälfte davon überträgt, wie bei einem 2-Wege-System, der Tiefmitteltöner. Den tiefen Tönen steht also nur ein halber eigener Weg zur Verfügung. Der Tieftöner eines 2½-Wege-Systems ist häufig baugleich mit dessen Tiefmitteltöner. Viele eher kleine Standlautsprecherboxen sind 2½-Wege-Systeme.

3-Wege-System

Da einem Breitbandlautsprecher wie auch einem 2- oder 2½-Wege-System gewisse physikalische Grenzen im Wege stehen, um das gesamte Spektrum der reproduzierten Musik gehörrichtig darzustellen, entstanden 3-Wege-Systeme. Die Idee ist, für jeden wichtigen Bereich des Hörspektrums jeweils ein eigenes, dafür besonders geeignetes Lautsprecherchassis zu verwenden. Auch hier erfolgt die Zuordnung durch eine Frequenzweiche. Mit zunehmender Zahl an Lautsprecher wird jedoch auch deren Integration schwieriger. Viele mittelgroße Standlautsprecherboxen sind 3-Wege-Systeme.

Vielwege-Systeme

Konstruktionen mit mehr als drei Wegen entziehen sich einer genauen Klassifizierung. Die große Anzahl von Freiheitsgraden und Freiheiten beim Design durch die vergleichsweise geringen Arbeitsbereiche machen unzählige Konstruktionen möglich, die z. B. einer Orgel ähneln können. Viele große Standlautsprecherboxen sind Systeme mit mehr als drei Wegen.

Reproduktionsfehler durch Raumakustik

Verfärbung des Direktschalls

Der auffälligste Reproduktionsfehler eines Lautsprechers ist eine Verfärbung des Direktschalls. Um die Auswirkungen auf den Klang besser abschätzen zu können, wird üblicherweise über 1/6-Oktave gemittelt. Es interessieren dabei vor allem die Abweichungen im Bereich von 100 Hz bis 10 kHz, dort sind Werte um ±1 dB hörbar. Unterhalb von 100 Hz und oberhalb von 10 kHz lässt die Empfindlichkeit auf Pegelfehler nach, der Frequenzgang oberhalb von 15 bis 17 kHz ist nur noch von geringer Relevanz.

Für die Beurteilung des Direktschalls sollten die zur Konstruktion gehörigen Bodenreflexionen im Grundton- und Bassbereich mit berücksichtigt werden. Obwohl es sich um Diffusschall handelt, ist dieser Anteil zum einen nur sehr gering verzögert (bei 3 Meter Abstand und 80 cm Höhe des Tieftöners z. B. 0,3 ms), zum anderen spätestens bei Standboxen fester Bestandteil der Konstruktion.

Laufzeitfehler

Gruppenlaufzeit eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Tieftönern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

Die Wahrnehmbarkeit von Laufzeit- und Phasenfehler ist Frequenzabhängig, jedoch ist umstritten ab welchem Betrag sie wahrnehmbar sind.

Schmalbandige Resonanzen

Schmalbandige Resonanzen (etwa des Gehäuses) verursachen nur geringe Fehler im Direktschallfrequenzgang und in der Gruppenlaufzeit, aber hörbare Veränderungen bei Einschwingen von Musikinstrumenten.

Doppelräumigkeit

Aufnahmen „sehen“ im Allgemeinen zwei Räume, bevor sie zum Ohr gelangen:

• Aufnahmeraum im Studio/Konzertsaal,
• Wiedergaberaum zu Hause.

Selbst wenn beide Räume den gleichen Klang haben, beeinflusst Doppelräumigkeit den Klang negativ (etwa bei einer Eigenaufnahme, die im Wohnzimmer aufgenommen und dann dort wieder abgespielt wird).

Step-Response eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Tieftönern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

Wasserfall-Diagramm eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Tieftönern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

Horizontale Bündelung als Isobarendarstellung für ein passives 3-Wege-System mit 2 Tieftönern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

Spezielle Anwendungen

• Subwoofer sind Spezial-Lautsprecher zur Unterstützung von kompakteren Vollbereichslautsprechern am unteren Frequenzende.
• PA-Lautsprecher (PA steht für Public Address) werden zur Beschallung von Konzerten und Veranstaltungen verwendet.
• Studiolautsprecher dienen bei der Musikproduktion zum Abhören auch unfertiger Mischungen und Einzelsignale.
• Spritzwassergeschütze bzw. Unterwasser-Lautsprecher sind Lautsprecher, die feuchtigkeitsresistent sind bzw. an die Erfordernisse der Schallabstrahlung unter Wasser optimiert sind.

Weitere Komfortfunktionen

• Fernbedienung
• Lautstärkereglung (bei digitaler Zuspielung erforderlich)
• Umschalten zwischen verschiedenen Frequenzgängen und Abstrahlverhalten
• Temperaturüberwachung der Lautsprecher, um Zerstörung zu vermeiden, gegebenenfalls Trennfrequenzen anzupassen und temperaturabhängige Parameter zu kompensieren
• Überwachung der Membranauslenkung, um Zerstörung zu vermeiden und gegebenenfalls Trennfrequenzen anzupassen

Literatur

• Dickason, Vance: Lautsprecherbau. Erweiterte und überarbeitete Neuauflage. ISBN 3-89576-116-8
• Dickreiter, Michael: Handbuch der Tonstudiotechnik. Sehr umfangreich, fast 1.000 Seiten, 2 Bände. ISBN 3-598-11320-X
• Stark, Berndt: Lautsprecher-Handbuch. 8. überarbeitete Auflage. ISBN 3-7905-0904-3
• Walz, Georg: Lautsprecherboxen erfolgreich selbst bauen. 2. Auflage. ISBN 3-7723-5894-2
• Olson, H. F.: "Direct Radiator Loudspeaker Enclosures", Journal of the Audio Engineering Society Vol. 17, No. 1, 1969 October, pp. 22-29.

Weblinks

 Commons: Lautsprecher – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Lautsprecher: Das geschlossene Gehäuse, für Anfänger
• Lautsprecher: Loch in der Box, was nun? Das Bassreflexgehäuse, für Anfänger
• Lautsprecher: Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad in Prozent, unterer Grenzfrequenz und Gehäusevolumen