Technik ist kein Geheimnis, sondern die Umsetzung physikalischer Erkenntnisse und das Experiment zur Prüfung des physikalischen Modells in der Realität

 

Einführung:

hier will ich eine Übersicht über die Konstruktionskriterien von Lautsprechern im Allgemeinen geben, um die akustischen und elektrischen Zusammenhänge, die ein Klangbild erzeugen und beeinflussen, zusammen gefasst und vereinfacht dar zu stellen.

Passive Lautsprecher mit Treibern für unterschiedliche Frequenzbereiche des hörbaren Schalls bestehen im Wesentlichen aus drei Baugruppen:
1. dem Gehäuse
2. den Treibern
3. den elektrischen Filtern - also der Frequenzweiche

Diese Baugruppen gilt es auf einander abzustimmen und so eine Harmonie – oder anders ausgedrückt – eine Homogenität im Klangbild zu schaffen.

das Gehäuse

das Gehäuse muss in fünf Disziplinen optimiert werden
1. der Treiber Anordnung
2. der Schallbeugung an den Gehäusekanten, auch als Schallwanddesign bekannt
3. der Schalldämmung der Gehäuse Hülle
4. der Resonanzarmut im Innern der Gehäuse
5.
dem Bassspielvermögen

Die Verteilung der Treiber im Raum ist im Kontext der Frequenz-Filter der Frequenzweiche und dem Beugungsverhalten der Gehäuse Oberfläche so zu designen, dass eine best mögliche Rundstrahl-Charakteristik erzeugt wird, die eine für das menschliche Hören – also der auditiven Signalverarbeitung des Gehirns entsprechende – als natürlich wahrgenommenes Klangbild erscheint. Hierbei ist das zeitliche Verhalten der elektrischen Filter mit zu berücksichtigen, das auch zu einem Tiefenversatz von Treibern führen kann.
In diesem Kontext ist auch die Fläche und Filtereigenschaften (Trennfrequenzen und Flankensteilheit) der Treiber von entscheidender Bedeutung, da dies direkt Auswirkung auf das diffuse Schallfeld im Hörraum hat und so die klangliche Einbettung des Dargebotenen, wie auch die akustische Qualität an ungünstigen Hörpositionen prägt.

Direkt verbunden mit dieser Aufgabenstellung ist die Thematik der Schallbeugung an Kanten des Gehäuses. Für den Einbau von Lautsprechern in Wände oder Decken ist es grundsätzlich möglich, dieses Thema zu vernachlässigen, jedoch sobald ein Lautsprecher frei im Raum steht, gibt es konstruktiv bedingte geometrisch begrenzte Flächen, an deren Rändern der Schall gebeugt wird und so das gleichmäßige Rundstrahlverhalten frequenzabhängig verformt. Besondere Auswirkung hat das Beugungsverhalten in Bezug zum Hochtöner, da geringe Änderungen der Geometrie das Hochtonklangbild, also beispielsweise die Wiedergabe der menschlichen Stimme, deutlich beeinflusst.

Die Schalldämmung des Lautsprecher Gehäuses ist für die klare Wiedergabe von entscheidender Bedeutung. Bei dünnwandigen Gehäusewänden schwingt das Gehäuse, wie ein besonders schlecht gefertigter Resonanzkasten eines Instrumentes mit und liefert so Zusatzgeräusche und Obertöne (Klirr), die der Treiber nicht spielt. Hier spricht man auch vom Dröhnen eines Gehäuses, wenn das Verhältnis von Dünnwandigkeit und hohen Schallpegeln extrem ausfällt.

Ein Gehäuse muss daher sehr Schalldicht sein, damit der Lautsprecher auch sehr gut klingt. Hierfür ist schweres Tropenholz, das perfekte Steifigkeit und hohe Masse/Rohdichte mitbringt, eine sehr gute Grundlage.

An dieser Stelle sei der Mythos, dass beim Klopfen gegen ein Gehäuse ein dumpfer Ton ein Qualitätssiegel sei, widerlegt. Es gibt zum Einen die Variante, ein normal gefertigtes Gehäuse, beispielsweise aus 19mm MDF durch Anti-Dröhnmatten, wie sie für die Lüftungskanalentdröhnung hergestellt werden (und auch für den Hifi-Markt als etwas Besonderes angeboten werden), zu entdrönen und so ein Gehäuse mit dumpfem Ton zu erhalten, der auch bei einem wenig ausgesteiften Gehäuse aus eher weichem Material genauso auftritt, aber auch die Variante durch besonders steife und schwere Materialien nicht nur wie Hartholz, sondern auch aus Kunststein oder echtem Stein, Gehäuse optimal Schalldämmend herzustellen, die ein sehr hellen Ton beim Klopfen aufweisen. Daher ist das Gewicht eines Lautsprechers aussagekräftiger, als das Klopfgeräusch des Gehäuses.
In dem Gewicht und der Steifigkeit liegt der Vorteil von Massivholz, da das massive Holz durch seine Feuchte bedingte Längenänderung hohe Spannung auf die Gehäusebauteile bringt. So führen die Spannungen der Gehäusebauteile dazu, dass sich die Biegewelleneigenschaften der Gehäusewände günstig ändern (und das Klopfgeräusch noch heller - hochfrequenter wird).

Das Thema der Resonanzen im Innern eines Lautsprecher-Gehäuses ist sehr anspruchsvoll, da die Gehäuse nicht einfach bedämpft werden können, ohne dass dies gravierende Auswirkungen auf die Spielweise der Treiber hat.
Die Idee, ein Volumen hinter dem Treiber so zu bedämpfen, dass der Treiber Schall hinein spielt und kein Schall zurück kommt, ist lediglich eine Illusion. Will man sich ein Modell von dem Verhalten im Innern der Box machen, stellt man fest, dass der Treiber gegen eine bedämpfte Luft-Feder spielt. Die Assoziation zu einem Autofahrwerk hilft bei der Problemanalyse, dass sowohl eine Überdämpfung, als auch eine zu geringe Dämpfung ein problematisches Verhalten zur Folge hat. Gleiches gilt für die Spielweise des Treibers auch. Spielt er im unbedämpften Volumen, dann hüpft er wie ein Auto mit kaputten Stoßdämpfern und spielt einen sehr welligen Frequenzgang mit Echo artigem Ausschwingverhalten. Spielt der Treiber in eine voll gestopfte Box, dann klingt er gedrückt und ohne feindynamische Details, entsprechend wie zu harte Stoßdämpfer eines Autos, zu einem bockigen Fahrverhalten ohne feines Ansprechverhalten führen. Erschwert wird das Bedämpfen und Optimieren der Gehäuseform dadurch, dass die Treiber selbst eine wesentliche Dämpfung mitbringen. Hierbei gibt es die These, dass der Verlustfaktor Rms des Treibers repräsentative Auskunft über das Dämpfungsverhalten und damit die Fähigkeit zur Abbildung von akustischen Details, erteilt, jedoch ist diese Messgröße nur als wage Orientierung brauchbar.

Zusätzlich zu der dargestellten Thematik der Resonanzarmut werden zur Steigerung der Tieftonpegelfestigkeit, sowie zur Pegelanhebung im Bass, als auch zur Verlängerung des Ausschwingverhaltens im Bass, gezielte Resonanzen in das Verhalten des Gehäuses integriert. Die gängige Bauweise ist hierbei ein "normales" Bassreflex Gehäuse, das ein im Verhältnis zur Tieftönermembranfläche abgestimmtes Bassreflexrohr enthält. Dieses Resonanzsystem, das auf der Funktionsweise eines Helmholtz Resonator basiert, kann natürlich auch in unterschiedlichster Weise modifiziert werden.
Zum einen besteht die Möglichkeit, den Port besonders groß auszulegen, um eine besonders hohe Präzision im Bass zu erhalten, mit dem Nachteil, dass gleichzeitig Störungen im Oberbass und Mittelton aus dem System ebenfalls besonders deutlich abgestrahlt werden. Als weitere Variante gibt es die Möglichkeit, das System durch ein besonders kleinen und kurzen Port sehr stark zum Schwingen zu bringen, dass der Bass auch in toten Räumen oder bei gedämpften Treibern noch spielt, jedoch mit dem Defizit, dass der Bass an Präzision verliert, dafür jedoch Störungen in höheren Frequenzbereichen nahezu vernachlässigt werden können. Ganz anders ist da die Variante durch Passivmembranen eine "hohe" bewegte Masse in den Port einzubauen. Vorteile bringt diese Bauweise nur im kompakten Sub-Bass. Hier besteht jedoch die Grundsatzproblematik des nicht linearen Verhaltens, sodass solche Systeme leise Signale eher nicht und laute dafür mit viel "Dröhnung" wiedergeben.
Andere Gehäusevarianten sind zum einen die Transmissionslinie, ein Wellenleiter, der wie eine Orgelpfeife zum Spielen tiefster Töne angeregt wird und mit seinen Obertönen die Konstrukteure fordert. Eine weiter Variante sind Basshörner, die entsprechend einer Trompete zur Pegelsteigerung vor/hinter den Treiber angeordnet werden und mit gigantischen geometrischen Ausmaßen für Eindruck beim Betrachter sorgen. Auch Konstruktionen mit innen liegendem Tieftöner, als auch Konstruktionen mit mehreren Kammern sind Varianten, um den Wirkungsgrad und das Spielverhalten, sowie die Pegelfestigkeit von Lautsprechern im Bass zu optimieren.

Die Treiber

Die Treiber werden häufig sehr individuell gefertigt und es werden Unmengen unterschiedliche angeboten. Diese Vielfalt fasse ich eher als Hilflosigkeit auf, da jeder irgendwie versucht, etwas Besonderes zu fertigen, ohne dass es wirklich eine große Auswahl hochwertig spielender Treiber gibt. Grundsätzlich gibt es Auswahlkriterien, die sehr schnell sehr viele Treiber aussortieren.

1. Frequenzganglinearität,  
2. Verzerrungsarmut / Pegelfestigkeit
3. Minimierung nicht linearem Verhalten
4. großer nutzbarer Frequenzbereich

Die Frequenzganglinearität meint, dass der Treiber wenig Wellen, Stufen oder andere Artefakte aufweist. Wenn ein Treiber ziemlich nah am physikalischen Verhalten nach Tiele und Smal spielt, also der durch die Tiele und Smal Parameter bestimmten Frequenzgang ziemlich gut mit dem realen Frequenzgang übereinstimmt, dann ist es auch wahrscheinlich, dass der Treiber ein ideales zeitliches Verhalten aufweist, dass Resonanzen in der Lautsprecherkonstruktion vermieden wurden und dass der Treiber auch nicht gegen interne frequenzabhängige Federn – wie ein Luftpolster – spielt. Ob der Treiber am Ende mit einem steigenden oder abfallenden Frequenzgang designt wurde, hat auf dieses Thema keinen relevanten Einfluss.

Verzerrungsarmut ist ein Thema für HighEnd Anwendungen. Für das Maß an Klirr/Verzerrungen gibt es genormte Grenzwerte, welche Verzerrungen noch gehört werden können. Bei der Frage der Klangfarbe und der authentischen Wahrnehmung im Vergleich zur Realität ist es problemlos möglich, auch 20 dB geringere Verzerrungen unter der normativen Hörgrenze (der Verzerrungen) wahr zu nehmen. Hierbei gibt es zweifelsfrei frequenzabhängige Empfindlichkeiten des Menschlichen Gehörs entsprechend der Hörkurven. Somit bleiben auch bei sehr hohem Qualitätsanspruch Verzerrungen im Bassbereich in einem höheren Maß tolerabel, als im Mittel-Hochtonbereich.
Die Verzerrungsarmut ist auch wichtig bei der Bewertung der Pegelfestigkeit, da hohe Pegelspitzen/Impulse, wie sie durch Schlagwerke (Perkussion Instrumente) erzeugt werden, auch durch den Lautsprecher präzise wiedergegeben werden müssen.

Nicht lineares Verhalten ist ein Thema, das regelmäßig scheinbar gute Treiber disqualifiziert. Typisch für nicht lineares Verhalten sind unter anderem die mechanischen Eigenschaften von Gummisicken. Hierbei ist die elastische Verformung von Gummi, wie auch dessen Dämpfung bezogen auf die Amplitude nicht linear. Praktisch kann man Messreihen der Tiele und Smal Parameter für die Nutz-Lautstärke – also dem angestrebten Dynamikbereich durchführen und feststellen, dass diese doch signifikant sich ändern. Das hat zur Folge, dass die Dynamik des elektrischen Signals nicht mit der Dynamik des akustischen Signals übereinstimmt. Für die grobe Dynamik hat das kaum wahrnehmbare Auswirkungen, für die Detailabbildung der Musik ist das ein relevanter Faktor. Ungünstig aber nicht vermeidbar ist, dass zu dem Spielverhalten der Treiber im Freien, das Dämpfungsverhalten in den Gehäusen zu zusätzlichem nicht linearem Verhalten beiträgt. Hier ist verständlicherweise die konstruktive Zielsetzung, dass das Verhalten der Gehäuse gezielt invers sich zum Verhalten der Treiber verhalten soll, um so näherungsweise wieder eine hohe Linearität bezogen auf das Impulsverhalten zu erhalten.

Der Nutzbare Frequenzbereich ist ein eher einfaches Thema, hier geht es grundsätzlich um die Fragestellung, in welchem Frequenzbereich werden die Kriterien der Frequenzganglinearität erfüllt. Das bedingt eine hohe Perfektion der Membrane, da diese maßgeblich die oberen Grenzfrequenzen – also den Nutzbereich zum Hochton hin – begrenzen. Zu tiefen Frequenzen ist im Wesentlichen der Klirr (Verzerrungen) die begrenzende Größe, die anders ausgedrückt die Pegelfestigkeit des Treibers begrenzt.

Es gibt nun bei Treibern die subjektiv begründeten Auswahlkriterien, dass ein Pappe Membran besser als ein Metall- oder Keramikmembran klingt. Praktisch ist das eine Frage der Verzerrungen bei gleichzeitigem „natürlichem“ also sehr feindynamischem Spielvermögen. Zum Einen gibt es Treiber, die sehr „lebendig“ spielen und bei denen die Obertöne (Verzerrungen) das Klangbild prägen, zum Andern ist der Trend zu eher bedämpft spielenden Treibern erkennbar, hierbei ist ein Klang des Membranmaterials auf Grund fehlender Obertöne nicht hörbar. Letztere sind jedoch wenig geeignet, wenn es darum geht, authentische Musikreproduktion anzustreben. Daher ist es unumgänglich, den „Klang“ der Treiber sich anzuhören und geeignete Typen für die Lautsprecher auszuwählen. Hierfür hat sich für mich noch kein Auswahlkriterium/Messgrößen oder ähnliches als nützlich erwiesen.

Die Frequenzweiche

Die Frequenzweiche ist von Mythen umzingelt, wie sonst nichts in den Lautsprechern. Es gibt die unterschiedlichsten Zielsetzungen zum Design von Frequenzweichen, zum einen sehr steile Filter, zum andern sehr flache Filter, besonders wenige Bauteile, wie auch die Korrektur von allem möglichen – wie beispielsweise dem perfekten linearen Frequenzgang auf Achse – alles mit der Zielsetzung, den ultimativen Klang zu erzeugen.

Hierbei steht außer Frage, dass Bauteile der Frequenzweichen sich nicht ideal verhalten. Diese Abweichungen zum physikalisch idealen Verhalten wird für alle möglichen Effekte genutzt. Als Beispiel sei die Bandspule aufgeführt. Eine einlagig gewickelte Spule aus dünnem Kupferblech. Das elektrische Verhalten dieser Spule führt zur Minderung feiner Details, das hat zur Folge, dass ein detailreich, jedoch auch Klirr reich spielender Treiber matschiger Spielt und so die Verzerrungen – auch als Härte beschreibbar – nicht mehr als solche deutlich wahrgenommen wird. Damit kann gezielt Fehlern von Zuspielern wie auch Treibern entgegen gewirkt werden. Oder anders ausgedrückt: Damit man von der Präzision der HighEnd Geräte nicht so genervt wird, braucht man Bauteile, die das Klangbild abrunden, vergleichbar mit der Kantenglättungsfunktion eines Bildschirmes.
Selbiges gilt auch für Kondensatoren, auch bei diesen Bauteilen ist das nicht lineare Verhalten messbar und akustisch hörbar. Besonders verlustarme Kondensatoren tragen ebenfalls zur Feindynamik bei, ermöglichen jedoch nur bei sehr ausgereiften Lautsprechern das gewünschte Ziel der natürlichen Wiedergabe. Ein bisschen zu viel Details und das Klangbild wird nur noch als „hart“ und „anstrengend“ wahrgenommen.

Als Optimierungsgrößen zur natürlichen und detailreichen sowie verzerrungsarmen Musikwidergabe ist zum einen ein relativ linearer Frequenzgang anzustreben, um Maskierungseffekte, die Details überblenden, entgegen zu wirken, eine Perfektion der akustischen Phase im Hochton für die natürliche akustische Bühnenabbildung anzustreben, sowie die geometrische Anordnung der Spulen im Lautsprecher zur Minimierung von ungewünschten Induktionen zu perfektionieren.
Dieser Anforderungskatalog führt zu komplexen und eher teuren Frequenzweichen, deren Bauteile an mehreren Orten in den Lautsprechergehäusen verteilt werden müssen, um dem Ziel der authentischen Reproduktion nahe zu kommen.

Nachteilig haben sich bei der Weichenoptimierung beispielsweise Kernspulen erwiesen, da bei hoher Abbildungsqualität die Auswirkungen der Hysterese immer zu hören waren. Auch Wechselwirkungen mit Verstärkern, wie sie bei Weichen dritter Ordnung normal sind, haben einen erhöhten Klirr zur Folge, sodass hierfür die Impedanz des Lautsprechers bezogen auf den Zuspieler zu optimieren ist. Diese Faktoren führen zu der Erkenntnis, dass wenige Bauteile genauso wenig eine relevante Zielsetzung sein kann, wie das dichte Anordnen von Spule auf einer Platine zur Auskorrektur des Frequenzgangs.

Erkenntnis:

Die hier aufgeführten Aspekte sind unverzichtbare Designmerkmale eines Lautsprechers, jedoch nicht ausreichend, um eine ausgewogene Präsenz des dargebotenem im gesamten Frequenzspektrum zu erhalten. Die Präsenz von Frequenzbändern eines Lautsprechers ist ein ausgesprochen subjektiv geprägter Beschreibungsversuch, dass Lautsprecher scheinbar gleicher Güte unterschiedliche Details der selben Musik wiedergeben. Es geht bei der Präsenz um die Beschreibung der Authentizität des Dargebotenen in den unterschiedlichen Tonlagen.
Hierbei ist auch der Energiefrequenzgang des Lautsprechers, der das diffuse Schallfeld im Hörraum und so den Hintergrundgeräuschpegel bildet, ein wesentliches Kriterium. Jedoch ist ein gleichmäßiger Energiefrequenzgang (der in Verbindung mit einem linearen Frequenzgang auf Achse zu einer gleichmäßig ansteigenden Bündelung führt) kein Garant für detailreiche Musikreproduktion, da der Ursprung des Musikmaterials auch nicht unter perfekten Bedingungen entstanden ist.
Eine der Fehlerquellen sind die Abmischmonitore, an denen das dargebotene Material abgemischt wurde. Studiomonitore sind keine perfekten Lautsprecher, sondern weisen wie die Abmischräume auch, Defizite auf, die bei der Analyse der Musikwiedergabe wieder zu finden sind.
Daher ist auch jeder Lautsprecher auf´s neue lediglich ein Versuch, eine gute Wiedergabemöglichkeit anzubieten, jedoch niemals ein universal einsetzbares Ideal von Lautsprecher, der für alle Aufnahmen eine perfekte Wiedergabe leisten kann.

Über diese Themen hinaus gibt es weitere Themengebiete, wie die Basswiedergabe von Lautsprechern. Auch die Fragestellung zur Wechselwirkung zwischen Raum und Lautsprecher ist ein eigenes Thema. Einige Themen sind auch im Buch und Vortrag von Floyd Toole - Sound reproduction – art and science/opinions and facts aufgeführt, den ich immer gern verlinke.

 

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