Lautsprecher / Lautsprechergehäuse

Die Anforderungen an einen HiFi-Lautsprecher, bzw. eine HiFi-Box sind vielfältig. Dabei bewegen sich die Ansprüche mittlerweile bei weitem nicht mehr nur im Rahmen der definierten HiFi-Norm.

a) Zum einen muss ein ausreichendes Frequenzspektrum abgedeckt werden. Laut HiFi-Norm DIN 45 570 ist dies zwar "nur" der Bereich von 50 bis 12500 Hz; im High-End-Bereich werden jedoch de facto weitaus höhere Anforderungen gestellt. Zum Vergleich: der menschliche Hörbereich liegt zwischen etwa 30 und 18.000 Hz. Die obere Grenze liegt bei Kindern mitunter auch etwas höher, bei älteren Menschen dagegen oft bereits unterhalb 14.000 Hz.

b) Ferner muss der Lautsprecher - innerhalb enger Toleranzen - bei allen Frequenzen den selben Wirkungsgrad haben, d.h. gleich laut abstrahlen.

c) Des weiteren sollte die Schallabstrahlung bei allen Frequenzen ungerichtet bleiben, damit keine klanglichen Veränderungen entstehen, wenn man z.B. einmal schräg zum Lautsprecher steht.

d) Es muss eine bestimmte Lautstärke erzielbar sein, die wiederum in einem Zusammenhang mit der elektrischen Belastbarkeit steht. Laut DIN 45 500 wird ein Schalldruck von 96 dB (Dezibel) in 1 m Abstand gefordert. Für den typischen Wohnzimmerbetrieb ist dieser Wert allemal ausreichend; den heutigen Anspruch an Lautstärke in Verbindung mit Pop-Musik wird man damit allerdings kaum erfüllen können.

e) Schliesslich hat die Schallabstrahlung - bei allen Frequenzen und Lautstärken - zudem noch möglichst verzerrungsfrei zu geschehen.

Alles das kann ein einziger Lautsprecher nicht leisten. Das grosse, laute und bass-starke Chassis ist nicht für hohe Töne geeignet, der kleine Lautsprecher ist in der Regel zwar gut für die oberen Tonlagen, bringt aber wiederum keine genügenden Lautstärken, geschweige denn "pfundige" Bässe. Aus diesem Grunde verbindet man mehrere Lautsprecher zu einem System, wo jedem Chassis sein eigener Bereich zugewiesen wird, in dem es optimal arbeiten kann.

Auf die diesbezüglichen Ursachen, Zusammenhänge und auch Lösungsansätze wird in den Folgekapiteln noch sehr ausführlich eingegangen.

Warum aber werden Lautsprecher-Chassis in mehr oder weniger grossen Gehäusen, den sogenannten Boxen, untergebracht? Für die paar Lautsprecher benötigt man doch nicht solche riesigen Kisten. Spielt die Grösse des Gehäuses eine Rolle? Optik oder technische Notwendigkeit? Die Antwort darauf soll im Mittelpunkt dieses Kapitels stehen.

Die Schallabstrahlung von nicht eingebauten Lautsprechern ist für HiFi-Ansprüche ungeeignet. Wenn immer die Wellenlänge des abgestrahlten Schalls gross wird im Vergleich zum Membrandurchmesser eines Lautsprechers, und bei tiefen Tönen ist dies sehr schnell der Fall, kommt es zu sogenannten " akustischen" Kurzschlüssen. Aufgrund der gegebenen Möglichkeit eines Schalldruckausgleichs "um die Membran herum" kommt keine Kompression der Luft, d.h. kein  akustischer Widerstand und damit kein Schall zustande. Ergebnis ist ein eklatanter Verlust lang-welliger Frequenzen, also der Bässe.

akustischer Kurzschluss  

Um diesen Effekt zu vermeiden, muss der Weg um die Membran herum so weit verlängert werden, dass es erst bei sehr langen Wellenlängen, idealerweise unterhalb der hörbaren Frequenzen, zu dem  akustischen Kurzschluss kommen kann. Man könnte dazu den Lautsprecher auf einer z.B. kreisrunden Schallwand montieren, die eine entsprechende Grösse aufweist.

 akustischer Kurzschluss mit Schallwand

Macht man sich jedoch klar, dass eine 34-Herz-Welle bereits eine Länge von 10 Metern aufweist, so entfallen derartige Möglichkeiten für die typische Wohnraum-Anwendung. Es müssen daher speziell für den Bass-Bereich Wege gefunden werden, mit denen die geschilderte Problematik umgangen werden kann.

 Geschlossene Boxen / "unendliche Schallwand"

Zu diesem Zweck wird der Lautsprecher auf ein Gehäuse montiert, das luftdicht geschlossen ist und aus einem Material besteht, das so steif ist, dass es sich unter Druck nicht verformt. Damit ist der Druckausgleich von Membranvorderseite zu -rückseite nun nicht mehr möglich, und der akustische Kurzschluss wird vermieden. Da dies ganz offensichtlich auch für beliebig tiefe Frequenzen gilt, haben wir es mit einer scheinbar "unendlichen" Schallwand zu tun.

geschlossene Box

So schlüssig dieses Prinzip auf den ersten Blick erscheint, so sehr hat es aber leider auch seine Tücken. Der nach innen gerichtete Druck und die dadurch im Gehäuseinneren zusammengepresste Luft nämlich bewirken ihrerseits einen entsprechenden Gegendruck auf die Membran. Je kleiner das Gehäuse ist, desto stärker ist dieser Effekt. Resultat: Anhebung der Eigen- oder auch Resonanzfrequenz sowie damit verbundene Probleme mit dem Ein-/ Ausschwingverhalten.

 Da außerdem unterhalb der Eigenfrequenz eine nutzbare Schallabstrahlung nicht mehr möglich ist, wird das Unterfangen, durch eine geschlossene Box Tiefbass zu gewinnen, zu einem Teil wieder "aufgefressen" und muss mit ungeliebten Nebeneffekten bezahlt werden, es sei denn, man würde sehr große Gehäuse akzeptieren.

Um das Kind nun nicht gleich mit dem Bade auszuschütten, muss zugestanden werden, dass man, bei entsprechender Kenntnis um die Zusammenhänge, die Eigenfrequenz hervorragend nutzen kann, um den systembedingten Frequenzabfall nach unten hin auszugleichen, da kurz oberhalb dieser Frequenz der Schalldruck in "berechenbarer" Weise ansteigt.

Außerdem bietet die geschlossene Box im Zusammenhang mit den Möglichkeiten aktiver Frequenzweichen die besten Voraussetzungen, um hervorragende Ergebnisse zu erzielen. Zum Verständnis: bei "aktiven" Systemen wird jedes einzelne Lautsprecherchassis über einen eigenen in der Box befindlichen Verstärker bedient, dem eine elektronische Frequenzweiche vorangestellt ist.

Das Bass-Reflex-Prinzip

Eine Alternative zur geschlossenen Box bildet das Bass-Reflex-Gehäuse. Es basiert auf dem Prinzip des sogenannten "Helmholtz-Resonators". Das Gehäuse ist im Gegensatz zur geschlossenen Box mit einer zusätzlichen Öffnung, dem sogenannten Ventilierkanal versehen.

 Die Idee besteht zum einen daraus, sowohl den akustischen Kurzschluss zu verhindern als auch die beschriebene Problematik der Kompression im Gehäuseinneren zu vermeiden.

 Zum andern besteht darüber hinaus der Anspruch, den ins Boxeninnere "gepumpten" Schall (die Membran schwingt ja nach vorn und nach hinten - entsprechend wird die Hälfte der Kraft ins Gehäuseinnere "verschwendet") wieder nach außen zu führen und damit den Wirkungsgrad des Lautsprechers im Bassbereich zu steigern.

Bass-Reflex-Box

Hierzu muss der Phasengang des nach innen gerichteten Schalls verändert werden. Was heißt das? Hierzu ein etwas "unwissenschaftliches" Beispiel, das die Zusammenhänge aber ganz gut deutlich macht:

Stellen Sie sich einen breiten Fluss vor, der eine definierte Strömungsgeschwindigkeit hat. Würde man nun diesen Fluss z.B. auf die halbe Breite verengen, dann wäre das Wasser nun gezwungen, doppelt so schnell zu fließen, damit die selbe Wassermenge durchgesetzt werden kann. Das heißt folglich, dass man einen Wassertropfen bei gleicher Wasserzufuhr in einem engeren Flussbett in viel kürzerer Zeit von A nach B befördern kann, als in einem breiten.

 Gehäuse und Ventilierkanal wirken beim Bass-Reflexgehäuse gleichsam wie das breite und das schmale Flussbett; die Membran sorgt für (Wasser-) Nachschub, und das Verhältnis von breitem und engem Flussbett beeinflusst die "Schallfluss-Geschwindigkeit“ des Systems. Auf diese Weise kann eine Phasenkorrektur erreicht werden, die die Amplituden des nach vorn abgestrahlten mit denen des nach innen abgegebenen Schalls synchronisiert.

Im Vergleich sehen wir, dass gegenüber der geschlossnene Box der Schalldruckabfall zum einen erheblich tiefer beginnt, zum anden danach erheblich steiler abfällt.

Vergleich Geschlossene Box  vs. Bass-Reflex-Box

 Allerdings ist auch für die Methode “Bass-Reflex” ein Preis zu zahlen: die genannte Phasenkorrektur gilt naturgemäß nur für eine einzige Frequenz. Ober- und unterhalb dieser Frequenz aber sind Laufzeitverschiebungen unvermeidlich. Allerdings sind solche Phasenfehler für das menschliche Ohr praktisch nicht hörbar. Zumal die Alternative, wie wir bald sehen werden, den Verzicht auf eine halbe bis ganze Oktave Bassakustik bedeutet. Und das ist sehr wohl hörbar.

Falls Sie tiefer in die diesbezügliche Mathematik einsteigen wollen dann wählen Sie bitte:

Die Transmission-Line

Eine Variante der nicht-geschlossenen Box ist die Transmissionline. Dabei wird das ganze Gehäuse zu einem Ventilierkanal, dessen Querschnitt vergleichbar mit der Schallaustrittsöffnung des Lautsprechers ist. Es gibt also nach innen hin nur noch ein einziges "Flussbett" (siehe auch Bass-Reflex-Prinzip). Dabei entsteht eine Übertragungsleitung, die dem Prinzip der Orgelpfeife ähnlich ist. Die entstehende Laufzeitverschiebung zwischen nach innen und nach außen geführtem Schall verhindert den akustischen Kurzschluss und führt zu einer Verstärkung der Amplitude im Grenzfrequenzbereich.

Über die Länge der Transmissionline wird die untere Grenzfrequenz bestimmt. Eine TL bildet Ihre volle Wirkung bei der Frequenz aus, deren halbe Wellenlänge sie aufweist (z.B. Frequenz = 40Hz, Transmissionline-Länge = l /2 = 4,25 m). Über die Wahl geeigneter Lautsprecher in Verbindung mit einer intelligenten Einbeziehung der Resonnanzfrequenz kann man diese "ungastlichen" Längen jedoch auf die Hälfte reduzieren.

 Für TL-Boxen wählt man daher Chassis mit nicht sehr schweren Magneten und einem Frequenzverlauf, der bei der Eigenfrequenz eine deutliche Überhöhung zeigt. Dann nämlich braucht die Transmissionline nur noch auf die Oktave darüber abgestimmt werden und ist entsprechend auch nur noch halb so lang (bei 40Hz jetzt nur noch 2,13 m).

Dennoch sind, wie unser Beispiel zeigt, TL-Längen von über 2 Metern durchaus keine Ausnahme. Um das ganze in einem "wohnzimmerfreundlichen" Gehäuse unterzubringen, wird dieses ähnlich einem z.T. mehrfach gefalteten Labyrinth gebaut, an dessen Anfang sich der Lautsprecher befindet. Am Ende öffnet sich dann diese Transmissionline ins Freie.

Transmissionline Gehäuse  

Schalltrichter / Hörner

Eine weitere Möglichkeit zur "Manipulation" des vom Chassis abgestrahlten Schalls bilden Schalltrichter, auch Hörner genannt.

 Normalerweise kann sich die  akustisch angekoppelte Luftmasse von der Membran aus nach allen Seiten ausbreiten. Bei Hörnern wird das verhindert; die Luft wird vor der Membran in Richtung der  akustischen Achse zunächst mit Hilfe einer "Umweg-Insel" (Druckkammer-Umweg-Element) eingeengt, bzw. komprimiert und dann über einen sich öffnenden Trichter nach vorn "freigegeben".

 Durch diesen Druckkammereffekt erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit. Es kommt zu einer „Geschwindigkeitstransformation“. In Verbindung mit dem Schallaustritts-Trichter entsteht letztlich eine Schallbündelung, die in Abstrahlrichtung zu einer kräftigen Erhöhung der Lautstärke führt. Die untere Grenzfrequenz wird dabei über den Durchmesser der Trichtermündung bestimmt.

 Der Einsatz von Hörnern ist heutzutage im High-End-HiFi-Bereich umstritten. Es ist fast nicht möglich, eine gewisse klangliche Kehligkeit zu vermeiden. Man spricht auch von einer "horntypischen Charakteristik", die natürlich dem Neutralitätsanspruch einer HiFi-Wiedergabe widerspricht. Im PA-Bereich sind Hörner wiederum kaum zu ersetzen, da mit relativ niedrigen Verstärkerleistungen hohe Schalldrucke erzielt werden können.

 In der Regel findet man konische und exponentielle, in seltenen Fällen auch parabolische oder hyperbolische Hörner vor. Mit konischen Trichtern erzielt man die geringsten Verzerrungen, mit Exponentialtrichtern hingegen wird der höchste Wirkungsgrad erreicht. Hornlautsprecher finden im übrigen in allen Frequenzbereichen Anwendung. Im Bassbereich entstehen dabei mitunter "gewaltige" Größenordnungen.

Die gerichtete Schallführung bei Trichtern geht zwangsläufig mit einem schlechteren Rundstrahlverhalten einher. Um diese Schwäche teilweise auszugleichen, kann man den Trichter so bauen, dass in nur einer Ebene, z.B. in der Vertikalen, eine starke exponentielle Ausbreitung entsteht. In der Horizontalen bleibt das Horn von konstantem Durchmesser oder erweitert sich nur wenig.

Die Raumecke als Quasi-Schalltrichter

Jede Raumecke weist eine Trichterwirkung auf. Insbesondere bei kleineren, bass-schwachen Boxen kann damit die Tieftonwirkung spürbar verbessert werden. Speziell in Wohnräumen, wo die Box auch noch unter einer "trichterähnlichen" Dachschräge aufgestellt wird, entstehen mitunter gewaltige Bässe in Verbindung mit Minigehäusen, die ohne diese "Hilfe" ein eher farbloses Dasein fristen müssten. Allerdings bewirkt wandnahe Aufstellung von Lautsprechern auch eine Qualitätseinbuße, die Bässe werden weich und klingen dann mitunter etwas schwammig. jeder Hinsicht spielt im übrigen der richtige Aufstellungsort einer HiFi-Box eine sehr wichtige Rolle.

Alternative Konzepte

Neben den bisher besprochenen Konzepten, gibt es noch eine Fülle weiterer Alternativen, die in gleicher Weise ihre Existenzberechtigung haben, wenngleich sie in der Regel seltener anzutreffen sind. Oftmals liegen die Gründe für die geringere Akzeptanz solcher Alternativ-Konzepte auch nur in den mangelnden, bzw. zu komplizierten mathematischen Verfahren, die damit einhergehen. Auf einige dieser Lösungen wird im folgenden kurz eingegangen.

Passive Bass-Lautsprecher

 Als Alternative zum Bass-Reflex-Prinzip kann statt einem Ventilierkanal auch ein nicht-angeschlossenes zweites Lautsprecher-Chassis verwendet werden. Statt Reflexkanal-Durchmesser und -Länge sind jetzt Membrandurchmesser- und Membrangewicht dieses Passivstrahlers in ein Verhältnis zum Gesamtsystem zu setzen.

Prinzip Passiver Lautsprcher

Diese Methode hat in der Regel keinerlei konzeptionelle Vorzüge gegenüber dem klassischen Bass-Reflex-Prinzip. Im Gegenteil - es ist ein Stück Bautoleranz mehr in Kauf zu nehmen, und umsonst ist ein Passiv-Strahler auch nicht zu bekommen. Wo liegt denn dann die "Existenzberechtigung" dieser Konzeption?

 Die Antwort ist in den möglichen - oder besser mitunter unmöglichen - Abmessungen des Ventilierkanals einer Bass-Reflex-Box begründet. Verwendet man nämlich sehr große, bzw. schwere Chassis in sehr kleinen oder flachen Gehäusen, dann kommt es vor, dass ein Reflexkanal mit halbwegs brauchbarem Durchmesser von seiner Länge her nicht mehr ins Gehäuse passt. Ein Passivstrahler hat nun aber, von der Einbautiefe abgesehen, gar keine "Länge". Ergo erweitert man die Möglichkeiten des Bass-Reflex-Prinzips.

Da nun aber große Lautsprecher in kleinen Gehäusen in der Regel keinen sehr ausgeprägten Tiefbass aufweisen (was an anderer Stelle bereits erläutert wurde), können auch von diesem Prinzip keine Wunder erwartet werden.

Prinzip "Innerer Bass-Treiber"

 Eine weitere Methode, mit der der Bass-Bereich verstärkt werden kann, ist der sogenannte "innere Bass-Treiber". Im Gehäuse befindet sich ein zweites Chassis, das für eine "Entlastung" des sichtbaren nach außen abstrahlenden Lautsprechers sorgt, indem es der Gegeninduktion der Schwingspule seinerseits entgegenwirkt und damit den linearen Hub des Chassis vergrößert. Somit wiederum können (durch "mehr Hub" statt "mehr Membranfläche") jetzt höhere Schalldrucke sauber verarbeitet werden.

Prinzip ”nnerer Bass-Treiber”

Ferner stellt diese Technik dem äußeren sichtbaren Lautsprecher ein "virtuelles" geschlossenes Gehäuse zur Verfügung (Scheinvolumen), das ein Vielfaches des tatsächlichen Volumens ausmacht und so den Tiefbassabfall reduziert.

Das "richtige" Bass-Chassis

 Geschlossen, Bass-Reflex, Transmissionline, Schalltrichter, ... das alles sind Umgebungselemente, mit denen die Bass-Wirkung eines Lautsprechers verbessert, kontrolliert, gesteuert werden soll.

 Natürlich ist nicht jedes Chassis für alle diese Konzepte gleich gut geeignet. Daher an dieser Stelle einige grundsätzliche Erläuterungen, die, insbesondere für den Selbstbau von Boxen, die Auswahl geeigneter Treiber erleichtern sollen, zumal manche Hersteller gerade an dieser Stelle sehr oft mit "Scheinqualitäten" (z.B. schwerer Magnet, große Membran, ...) werben, die in vielen Fällen, abhängig von der Anwendung, geradezu das Gegenteil bewirken.

a) Je schwerer der Magnet eines Chassis, desto schwächer die Basswirkung im Verhältnis zu den Mitten.

 Vielfach wird von den Anbietern das Gewicht des Magneten als Qualitätsargument genannt. Dies jedoch bedarf der differenzierten Betrachtung. Ein sehr starker Magnet fördert zwar den Wirkungsgrad (dB/Watt) des Lautsprechers, da das Magnetfeld aber auch gleichzeitig eine Gegeninduktion bewirkt und diese aperiodisch dem Hub entgegenwirkt, ist diese "Bremswirkung" bei großen Hüben, sprich tiefen Frequenzen, am stärksten.

 Im HiFi-Bereich sind daher zu starke Magneten, bzw. Chassis mit extremen Wirkungsgraden - meist gemessen bei 1 kHz - in der Regel nicht zu empfehlen. Dies gilt in besonderer Weise für geschlossene und Transmissionline-Systeme.

 Früher, als Verstärkerleistungen jenseits der 100 Watt noch "zu teuer" für den Hausgebrauch waren, mögen hohe Wirkungsgrade als Wirtschaftlichkeitskriterium durchaus ihre Berechtigung gehabt haben. Heute sind andere Maßstäbe anzusetzen.

b) Je schwerer die Membran eines Bass-Chassis, desto besser ist dieses für den HiFi-Betrieb im Tiefbass geeignet.

 Zwar wird auch damit der Wirkungsgrad (bei 1 kHz) gemindert und das Mitteltonverhalten womöglich etwas verschlechtert; in den untersten Frequenzen jedoch wird der Bass-Abfall nach (relativ zum Bezugspegel) gemindert und die Eigenfrequenz merklich gesenkt. Ergo wird der Tiefbass verbessert.

Man findet daher speziell im High-End-Bereich heute fast ausschliesslich Bass-Lautsprecher mit schweren Membranen.

c) Gegenüber der landläufigen Meinung ist das Bassverhalten von Chassis mit kleinen Membranen - bei gleichem Eingangspegel und in gleichem Gehäuse - im Verhältnis zum Bezugspegel besser als das von Chassis mit großen Membranen.

 Der Glaube an "mehr Tiefe durch Membranfläche" ist fatal. Speziell in kleineren Gehäusen erreicht man mit großen Lautsprechern genau das Gegenteil: die Mitten werden lauter. Man sollte immer darauf achten, dass die Membranfläche relativ klein gegenüber dem Gehäuse ist. Allerdings geht das einher mit einer Herabsetzung des erreichbaren Maximalpegels, denn ...

d) Zur Erzielung hoher Schalldrucke im Tiefbassbereich ist eine große Membranfläche wiederum die wichtigste Voraussetzung. Dem Hub sind von der Qualität des Einschwingverhaltens her "natürliche" Grenzen gesetzt.

 Zusammenfassung: Sofern Tiefbass und gleichzeitig hohe Laustärken gewünscht sind, wird man an großen Gehäusen und auch "ansehnlichen" Verstärkerleistungen letztlich nicht vorbeikommen. Ist ein kleineres Gehäuse unvermeidbar, so ist der Kompromiss vorgeschrieben; will man hohe Laustärken verarbeiten, dann braucht man grosse und/oder leichte Membranen! Legt man Wert auf Tiefbass, dann sind kleine und schwere Membranen angesagt!