Lautsprecher

Funktionsprinzipien

Ein Lautsprecher ist eine Einrichtung, die elektrische Schwingungen in sich wellenförmig ausbreitende Schwingungen der Luft umwandelt. Technisch wird das so realisiert, dass die elektrischen Schwingungen zunächst in mechanische Schwingungen umgesetzt werden. Von einer sich im Rhythmus dieser Schwingungen mitbewegenden Fläche wird dann Schall abgestrahlt.
Der technisch meist verwendete Lautsprecher besteht also aus zwei Wandlersystemen,
  • dem elektrisch-mechanischen Wandler und
  • dem mechanisch-akustischen Wandler
Beide Systeme haben ihre Einflüsse auf das Gesamtgebilde. Die bekannteste technische Realisierung ist der elektrodynamische Konuslautsprecher. Im Luftspalt eines Magnetsystems befindet sich, geführt von einer Zentriermembran, die so genannte Schwingspule. Wird diese von einem tonfrequenten Strom durchflossen, entstehen im Luftspalt magnetische Wechselkräfte, die die Spule und den daran befestigten Membrankegel hin- und herbewegen. Durch eine spezielle, präparierte Randsicke, die ähnlich wie eine Feder wirkt, wird das schwingende System in stromlosem Zustand in die Mittellage zurückgeführt. Magnet, Schwingspule und die Federkraft der Sicke bilden das elektro-mechanische Wandler-System, die Oberfläche der Membran den mechanisch-akustischen Wandler.
Die Masse der Membran geht in das elektro-mechanische System ein.
Jedes der beiden Wandlersysteme hat zwei entscheidende Einflüsse auf die Lautsprechereigenschaften.
Das elektro-mechanische System stellt einen Resonanzkreis dar. Unterhalb seiner Resonanzfrequenz setzt dieser Kreis dem elektrischen Strom kaum Widerstand entgegen (Kurzschluss), so dass kaum Leistung umgesetzt werden kann. Bei sehr viel höheren Frequenzen wird die Massenträgheit der Spule und Membran so groß, dass die umsetzbare Leistung ebenfalls sinkt. Die Größe der Membran beeinflusst auch das Übertragungsverhalten. Solange die Wellenlänge des abzustrahlenden Schalls wesentlich größer ist als die Membranabmessungen, werden Luftteilchen vorwiegend zwischen Vor- und Rückseite der Membran hin- und herbewegt, es kommt kaum zu Schallabstrahlung. Ist die Wellenlänge viel kleiner als die Membran, wird der Schall sehr stark auf der Achse des Lautsprechers gebündelt.
Fazit des Ganzen ist, dass ein einfacher Lautsprecher kaum in der Lage ist, den kompletten Hörschallbereich zu übertragen. Deswegen werden Lautsprecher konstruktiv für bestimmte Frequenzbänder optimiert. Durch die Zusammenschaltung unterschiedlicher Lautsprecher erhält man
Systeme, die den vollen Hörfrequenzbereich übertragen.
Wichtige Zielfunktionen bei der Entwicklung von Lautsprechern sind:
  • gute Klangeigenschaften (Übertragungsbereich, Richtwirkung)
  • hoher Wirkungsgrad (Kennschallpegel)
  • zweckentsprechende Richtwirkung (Bündelung, Polardiagramm (siehe Abbildung oben))
Der Wirkungsgrad von Lautsprechern liegt in der Größenordnung von 1% (0,1 … 10%).

Ring Mode Decoupling® (RMD®)

Sämtliche Lautsprecherkomponenten erzeugen ungewollte Schwingungen – oder Resonanzen – die Verzerrungen sowohl zeitlich als auch frequenzbezogen hervorrufen. Eine zeitliche Verzerrung wird von Lautsprecher-Anwendern häufig als „Nachklingen“ im System beschrieben. Dieses Nachklingen ist über den grundsätzlichen Stimmbereich hinweg deutlich hörbar, und Anwender versuchen meist, dieser Störung mit Entzerrung entgegenzuwirken. Leider beseitigen diese Versuche nicht nur die zeitliche Verzerrung bzw. das Nachklingen sondern auch Teile der Musiksignale. Letzten Endes geht also musikalische Information verloren.
Ring Mode Decoupling® (RMD®) ist ein Verfahren, das von Electro-Voice Entwicklungsingenieuren ausgearbeitet wurde, um der zeitlichen Verzerrung an ihrem Ursprung zu begegnen. Das grundsätzliche Problem ist mechanischer Natur. Daher kann die einzig wirksame Lösung dazu auch nur mechanischer Art sein. Wenn man akustischen Resonanzen entgegenwirken will, muss man auch auf akustischem Wege Abhilfe schaffen. Das gleiche gilt auch für elektrische Resonanzen: Das Entgegenwirken muss auf elektrischem Wege erfolgen.
Mit dem RMD®-Verfahren wird ein akustisches Signal erzeugt, das viel weniger durch mechanisches und akustisches Nachklingen belastet ist. Daraus ergibt sich eine viel höhere Wiedergabetreue besonders im kritischen Sprachbereich. Ein weiterer Vorteil der RMD®-Technik ist die höhere Pegelunabhängigkeit. Viele Techniker haben in der Praxis festgestellt, dass die Entzerrung des Systems sich zusammen mit den Ausgangspegeln des Systems ändern muss. Je lauter das System betrieben wird, desto mehr Veränderungen des EQ werden notwendig um das Klangverhalten des Systems zu erhalten (d. h. die Anlage klingt bei höheren Leistungen anders). Mit RMD® werden die Veränderungen des Klangverhaltens, die mit Pegeländerungen einhergehen, weitgehend reduziert. Systeme, die über RMD® verfügen, bieten daher einen höheren Grad an pegelunabhängiger Wiedergabetreue sowie eine deutlich hörbare Verbesserung der Stimmreproduktion.

Lautsprecherkombinationen

Sollen bei sehr hohem Wirkungsgrad Schallstrahler mit guten Klangeigenschaften entstehen, werden mehrere Lautsprecher eingesetzt, von denen jeder nur einen Ausschnitt aus dem Gesamtspektrum überträgt. Man spricht von einer Lautsprecherkombination. Um eine solche Kombination richtig auszusteuern, muss dafür gesorgt werden, dass jeder beteiligte Lautsprecher nur Signale aus dem Frequenzband erhält, das er abstrahlen soll.
Dazu wird das elektrische Tonsignalgemisch mit Hilfe von Tief-, Band- und Hochpässen in verschiedene Bereiche (Wege) zerlegt. Üblich sind 2 bis 4 Wege. Die Zerlegung vor dem Leistungsverstärker, das so genannte „Aktiv-Crossover“ erfordert für jeden Weg einen eigenen Leistungsverstärker und einen höheren Installationsaufwand. Die Weichenschaltung kann aber wesentlich präziser und flexibler ausgelegt werden. Außerdem werden durch diese Technik höhere bandspezifische Ausgangsleistungen ermöglicht.
Das Passiv-Crossover hat seinen Vorteil im relativ geringen anlagentechnischen Aufwand und in seiner leichten Handhabbarkeit, es ist aber nicht so präzise und flexibel auszulegen. Allerdings bietet die passive Frequenzweiche von sich aus gewisse Schutzfunktionen für die Lautsprecher, falls ein Verstärker defekt ist.
Im professionellen Bereich sind zwei Arten von Lautsprecherkombinationen üblich:
  • Komplettstrahler vereinigen alle Lautsprecher in einem Gehäuse.
  • Modularsysteme enthalten jeweils nur die Lautsprecher eines bestimmten Frequenzgebietes in
    einem Gehäuse, dadurch sind z. B. Kombinationen mit unterschiedlichen Richteigenschaften
    möglich.
Kritisch bei Lautsprecherkombinationen ist immer der Übertragungsbereich zwischen zwei Komponenten. Gerade in dem Bereich, an dem zwei Komponenten an der Übertragung eines Frequenzbereiches beteiligt sind, spielen Eigenschaften und Konstruktionen eine Rolle, die durch einfache Frequenzgang- und Klirrfaktormessungen nicht berücksichtigt werden. Die beteiligten Komponenten sollten im Übergangsbereich auch ähnliche Richtungseigenschaften und gleiche Entfernungen zum Zuhörer haben.