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Grundsätzliche Betrachtungen zur Akustik und zur Physik von Lautsprechern
 

 

  Um das Grundkonzept dieses Lautsprechersystems wirklich voll zu verstehen, müssen wir uns noch einmal ganz ( "back to the roots" ...  ) genau den physikalischen Grundlagen zuwenden.

Ganz simpel ein Lautsprecher ist zuerst einmal eine "Blackbox" auf der ich auf der einen Seite Strom reinschicke und bei der auf der anderen Seite Schall rauskommt. Der Schall der rauskommt ist direkt abhängig von der Art des Stroms der hineingeschickt wurde. Man spricht von einem "Wandler" weil das was rauskommt etwas anderes ist, als das, was reinging.

Es gibt elektrostatische und elektromagnetische Wandler. Die meisten Lautsprechersysteme sind elektromagnetische Wandler. Es gibt auch elektrostatische Wandler, aber die sind eher selten.

Das Prinzip des elektromagnetischen Wandlers kennen wir alle aus unserer Kindheit, als wir einen längeren Draht mit ein paar Dutzend Wicklungen um einen Nagel aufwickelten und dann eine Taschenlampenbatterie an den Draht anschlossen: Der Nagel wurde magnetisch und zog anderes Metall an. Sobald der Strom weg war, war alles wieder beim alten und der Nagel war nicht mehr magnetisch.

Der elektrostatische Effekt wurde erst viel später entdeckt, als die Transistoren entdeckt wurden. Man fand raus, dass bestimmte Kristalle wenn ein Strom angelegt wurde, anfingen zu schwingen. Das heute am meisten verbreitete elektrostatische Bauelement ist der sogenannte Piezosummer. Auf der einen Seite ist eine sehr dünnes Metallscheibe und auf der anderen Seite ist der Kristall als dünne Scheibe aufgeklebt. Wird nun an die Kristallscheibe ein Stromangelegt, so fängt der Kristall an zu schwingen und die aufgeklebte Metallscheibe schwingt mit und erzeugt Schallwellen. Derartige Elemente werden als Massenware heute auf den Hauptplatinen der Computer eingelötet und diese Elemente erzeugen den Piepston kurz nach dem Einschalten des Computers.

Aus der Art der Schallerzeugung heraus kann man grundsätzlich festhalten: Elektrostatische Wandler erzeugen eher hohe Töne, wohingegen elektromagnetische Wandler eher mittlere bis tiefe Töne erzeugen.

Das elektromagnetische Wandlersystem hat grundsätzlich immer den gleichen Aufbau. Außen ist ein starrer ( auf der einen Seite offener ) Käfig, der Korb genannt wird. An der hinteren geschlossenen Seite des Korbes befindet sich mittig ein Dauermagnet aus einem Material, das immer magnetisch ist. Dieser Magnet hat eine zylindrische Form und ist entweder solide aus einem Stück oder als eine Art zylindrischer Ring mit einem größeren runden Innenhohlraum. Ist dar Magnet solide, so befindet sich außen eine dünne Kunststoffröhre auf der etliche Windungen dünnen Drahtes aufgewickelt sind - wohingegen wenn der Magnet Ringförmig ist, dann befindet sich diese dünne Kunststoffröhre mit den Drahtwicklungen im zylindrischen Ring. An der Außenseite des offenen Kobes ist eine Art Manschette aus elastischem Material. Von der offenen Außenseite des Korbes geht von dem elastischen Material aus ein starres Material trichterförmig zur Kunststoffröhre mit dem aufgewickelten Draht und ist damit fest verbunden.  Die Drahtenden der Spule auf der Kunststoffröhre werden lose nach außen zum Korb geführt und dort mit zwei Metallkontakten auf einer isolierten Kunststoffplatte ( meist Pertinax ) verbunden. Wird nun an diese Anschlüsse Strom angelegt, so stößt sich die Kunststoffröhre entweder vom Außen ( bzw. Innen- ) Magneten  ab oder beide Magneten ziehen sich an. Wegen der zylindrischen Form will also die Spule entweder vom Magneten weg oder zum Magneten hin - abhängig von der Art des Stroms. Da aber die Kunststoffröhre fest mit dem Trichter verbunden ist geht die Bewegung des Trichters entweder nach außen oder nach innen. Wie weit der Trichter sich bewegt ist abhängig zum einen von der Art des elastischen Materials außen und zum anderen von der Art und Stärke des Stroms in der Spule zum anderen.

Da das elastische Material auf der Außenseite des Trichters die feste Verbindung mit dem Korb sicherstellen muss, aber auf der anderen Seite die Bewegung der Magnetspule behindert und den Trichter wieder in die ursprüngliche Position "zurück zieht", verwenden die Lautsprecherbauer unglaublich viel Zeit darauf, diese Verbindung genau zu untersuchen und einen optimalen Kompromiss zu finden. Die Bewegung der Spule soll so wenig wie möglich behindert werden, ohne dabei auf die Sicherheit der Verbindung mit dem Korb zu verzichten.

Das Material des Trichters, dass die Schallwellen erzeugt muss eine bestimmte Steifigkeit besitzen.
Die kann zum Teil auch mit der Form des Trichters beeinflusst werden. Bei kleineren Lautsprechern kommen deshalb auch ovale Formen des Trichters vor. Die "Neigung" des Trichters spielt eine wesentliche Rolle hinsichtlich des Schalldruckes der erzeugt werden kann, genauso wie die Steifigkeit des Materials Einfluss auf diese Eigenschaft hat. Der Bau eines Lautsprechers ist also eine hochkomplexe wissenschaftliche Angelegenheit und genaues Fachwissen um Material und Bauform haben direkten Einfluss auf die Qualität eines einzelnen Lautsprechers.

Um zum Beispiel die Steifigkeit des Materials zu verbessern, werden manchmal die Materialien mit anderem Material beschichtet oder das Material wird getränkt und manchmal werden sogar eine Art "Verstrebungselemente" in das Material eingearbeitet.

Da man letztendlich aber immer bei einem Kompromiss landet, wurden schon früh verschiedene Arten von Lautsprechern gebaut. Kleinere Lautsprecher sind eher für hohe Töne geeignet, wohin gegen größere Lautsprecher eher tiefe Töne gut wiedergeben. Die Bauform hat direkten Einfluss auf den Tonbereich, welcher optimal vom Lautsprecher wiedergegeben werden kann.

Die einzelnen elektromagnetischen Lautsprecher werden daher inzwischen in Gruppen eingegrenzt als Tieftonlautsprecher, Mitteltonlautsprecher und Hochtonlautsprecher.

Diese Aufgabenaufteilung ist begründet in der Art, was wir als Schall wahrnehmen. Schall sind simpel gesagt Luftschwingungen, die sich rhythmisch und wellenförmig bewegen. Niedrige Töne sind langsame Schwingungen und hohe Töne sind schnelle Schwingungen. Die Lautstärke wird durch die Menge der bewegten Luft als Schalldruck wahrgenommen. Bezogen auf die trichterförmige Membran des Lautsprechers kann man verallgemeinernd sagen: bei gleichgroßer Membran werden tiefe Töne leiser wiedergegeben als hohe Töne, weil bei hohen Tönen der Schalldruck größer wird. Um also tiefe Töne mit gleicher Lautstärke wahrnehmen zu können wie hohe Töne wird ein größerer Trichter benötigt. Hierbei muss man aber immer auch im Hinterkopf sich das Problem vergegenwärtigen, dass aus physikalischen Gründen Größe etwas mit Trägheit zu tun hat. Kleinere Massen können sich schneller bewegen als größere Massen. Deshalb: kleiner Trichter hoher Ton - großer Trichter tiefer Ton.

Nun ein kurzer Blick auf die Art der Töne. Die reinste Form eines Tons ist ein Sinuston, da dies die "Idealform" einer (Schall-) Welle ist. Daneben unterscheidet man noch als "Grundformen" eines Signals Rechteck, Dreieck und Sägezahnwellen. In den weiteren Betrachtungen unterstelle ich mal der Einfachheit halber immer, dass von einem Sinuston oder einer Sinuswelle gesprochen wird. Die physikalischen Grundlagen sind bei den anderen Signalformen zwar nicht absolut gleich, aber immerhin von den Grundlagen her ähnlich.

Bei den elektrostatischen Lautsprechern, hat man es im allgemeinen mit Hochton oder Mittelton Wandlern zu tun. Elektrostatische Systeme die auch für Tieftonbereiche tauglich sind, kommen eher sehr selten vor. Dies hat etwas mit dem Prinzip des Wandlers zu tun. Da für tiefe Töne große Flächen bewegt werden müssen, ist die Herstellung großflächiger Kristallstrukturen sehr sehr teuer. Da also in der Regel eher kleinere bezahlbare Kristallstrukturen verwendet werden, können eher nur Mittelton und Hochtonbereiche im bezahlbaren Rahmen hergestellt werden. Bei den allgemein verbreiteten elektrostatischen Wandlern unterscheidet man von der Bauform die sogenannten Hornlautsprecher 
( auch manchmal als "Tweeter" engl. für "Zwitscherer" ) und Kalottenlautsprechern. Bei den Hormlautsprechern befindet sich am Anfang des Horns eine kleine Kristalleinheit deren Lautstärke mit Hilfe der Form des Horns verstärkt wird. Bei den Kalotten handelt es sich um eine Art  geschlossene
"Druckkammer", in der sich die Kristalleinheit befindet und die Druckkammer bewegt einen halbkugelförmigen Kegel ( die sogenannte "Kalotte" ).
 
Als ob alle vorgenannten Problem nicht ausreichen würden beim Bau eines Lautsprechersystems, kommen mit dem komplexen Gesamtsystem noch weitere Probleme hinzu!

Bei der Auswahl das Baumaterials zum Beispiel wirken die Prinzipien der Atomphysik mit. Jedes Material besteht in seiner kleinsten Einheit aus Atomkernen, um die mit unvorstellbarer Geschwindigkeit Elektronen in einer kreisähnlichen Bahn "herumrasen". Kommen mehrere Atomkerne zusammen und bilden einen größeren Verband ( also das Material selbst ), so kommen elektromagnetische Kräfte ins Spiel. Dies bedeutet im größeren Maßstab, dass je starrer das Material wird, desto typischer und ausgeprägter hat dieses Material eine sogenannte "Eigenresonanz". Dies bedeutet, dass wenn Schwingungen auf das Material einwirken,  abhängig von Größe und Form des Materials ein bestimmter Ton ( eine bestimmte Schwingungsfrequenz ) existiert, in der das Material selbst anfängt zu schwingen. Dies kann im Extremfall sich so "hochschaukeln", dass die Kräfte die hier wirken dazu führen, dass das Material seine Festigkeit verliert und quasi "explodiert" . Das bekannteste Beispiel ist das Weinglas, dass bei einem bestimmten Ton anfängt selbst zu schwingen und schließlich zerspringt ( die Atome verlieren ihren Zusammenhalt und wollen in alle Richtungen auseinander ).

Dies gilt für alle Materialien -. egal ob Holz, Stein oder Metal. Je starrer desto extremer die Reaktion. Holz ist seinem Aufbau nach ein relativ weicher Werkstoff und wird nicht zerspringen - aber schwingen tut es und wenn es in eine Eigenresonanz kommt nimmt dieses Schwingen extrem zu ! Dies bedeutet, dass ein Lautsprechergehäuse abhängig von Bauform, Holzstärke und Fläche schwingt und bei einem bestimmten Ton schwingt das ganze Gehäuse extrem. Die Luft wird dann nicht nur von der Trichtermembran des Lautsprechers, sondern vom ganzen Gehäuse bewegt, und die Lautstärke nimmt bei diesem speziellen Ton unproportional zu im Schalldruck. Beim Bau einer Lautsprecherbox ist diese "Eigenresonanz" also höchst unerwünscht.

Reine Schwingungen sind im normalen Leben höchst selten.  Die meisten Schallquellen erzeugen eine Vielzahl von Schwingungen und "Nebenschwingungen". Diese sogenannten "Nebenschwingungen" sind wichtig und wir betrachten diese hier deshalb nochmals genauer. Diese Nebenschwingungen werden mit einem als "Klirrfaktor" bezeichneten Wert gemessen. Obwohl sie nur wenige Bruchteile eines Prozents der gesamten Schwingung ausmachen, werden diese Nebenschwingungen dennoch wahrgenommen. Umgangssprachlich wird dann meist der Begriff "Klangfarbe" in diesem Zusammenhang verwendet, um den wahrgenommenen Effekt zu beschreiben.  Diese Nebenschwingungen setzen sich aus sogenannten "harmonischen" und "nichtharmonischen" Verzerrungen zusammen. Die harmonischen Verzerrungen sind gerade Vielfache einer Tonfrequenz, wenn also ein Ton mit 1000 Hz ( Maßeinheit für Zahl der Schwingungen ) gehört wird, sind die harmonischen Verzerrungen in den Frequenzen 500 Hz ( halbe Schwingungsfrequenz ), 250 Hz
( viertel Schwingungsfrequenz ), 125 Hz usw. nach unten hin - und nach oben hin 2000 Hz ( doppelte Schwingungsfrequenz ), 4000 Hz ( vierfache Schwingungsfrequenz ) 8000 Hz etc. zu hören. Harmonische Verzerrungen sind also immer um den Multiplikationsfaktor 2 auf- oder absteigend. Mit jeder Verdoppelung oder Halbierung nimmt die jeweils zugehörige Lautstärke um den Faktor 10 bis 100 ab. Die vierfache Harmonische ist also nur 1/1000tel der doppelten oder ein Zehntausendstel des Originaltons etc.  Diese werden als "harmonische" Verzerrungen bezeichnet, weil glatte Vielfache einer Frequenz noch eher als "angenehm" vom Ohr empfunden werden. Daneben gibt es aber auch noch die sogenannten "unharmonischen" Verzerrungen, also Nebenfrequenzen deren Multiplikationsfaktor auf 3 oder 5 basiert. Diese werden vom Ohr als "Dissonanz" ( also als unangenehm ) empfunden.

Ziel eines Gesamtkonzeptes beim Bau eines Lautsprechersystems ist es also, die harmonischen Verzerrungen so niedrig wie möglich zu halten und unharmonische Verzerrungen möglichst vollständig zu eliminieren.

In dem Augenblick in dem mehrere Lautsprechersysteme miteinander in einer Lautsprecherbox zusammenkommen, kommen aber noch weitere Probleme hinzu: Die einzelnen Lautsprecher "interagieren" miteinander.  Bereits schon wenn nur ein Lautsprecher in eine Lautsprecherbox eingebaut wird, interagiert der Lautsprecher mit der Lautsprecherbox. Die augenfälligste Interaktion ist mit dem "Volumen"  ( also mit dem Luftinhalt in der Lautsprecherbox ). Der Schalltrichter strahlt nämlich die Tonschwingungen nicht nur nach vorne ab. Über den Korb gelangen Schwingungen zum Holz und bringen dieses Holt in Schwingung.  Darüber hinaus bewegt der Schalltrichter natürlich auch die Luft im Lautsprechergehäuse selbst und erzeugt auch dort einen Ton. Je größer der Korbdurchmesser - also je großer der Schalltrichter ist, desto mehr Luft innerhalb der Lautsprecherbox wird bewegt.  Die Lautsprecherbox hat verschieden große Flächen an den Seiten der Rückwand und dem Boden- und Deckelteil. Im günstigsten Fall fängt also das Holz an nur mäßig zu vibrieren. Im schlechtesten Fall trifft der Ton einer der verschiedenen Eigenresonanzen dieser Flächenteile und fängt an unkontrollierte Eigenschwingungen der Lautsprecherboxwände zu entwickeln.

Aus diesem Grund haben Boxen öfters eine Kugel-, Pyramiden- oder Obelisken- ähnliche Form. Ein weiterer Grund für diese Formgebung ist das Problem mit den sogenannten "stehenden" Wellen. Dies ist eine Sonderform der "Eigenresonanz". Schallwellen haben eine bestimmte Länge. Nehmen wir für ein Rechenbeispiel eine Frequenz von 1000 Hz. Die Schallwelle bewegt sich grundsätzlich immer mit einer Geschwindigkeit von 333 Metern pro Sekunde. Dies ist unabhängig von der Höhe des Tons lalso der Schwingungsfrequenz). Wenn man also den Schall sozusagen für eine Sekunde "einfreiren" könnte, wären auf einer Länge von 333 Metern 1000 Schallwellen "eingefroren". Eine Schallwelle hätte also die 1/1000tel Lange dieser Strecke , wäre also 0,333 Meter ( wäre gleich 33,3 cm ) lang.
Wenn ich also eine Lautsprecherbox mit einer inneren Kantenlänge von 33,3 cm bauen würde, wurde exakt eine Schallwelle der Länge nach "hineinpassen". Dies würde dazu führen, dass diese Box in eine "Eigenresonanz" hineinkäme - also selbst anfangen wurde zu schwingen. Man spricht dann von einer "stehenden" Welle. Dieses Phänomen tritt aber auch bei genauen Vielfachen auf der Basis des Faktors 2 der Schallwelle auf. Im Klartext bedeutet dies, dass dann die "harmonischen" Verzerrungen verstärkt  ( also lauter ) wiedergegeben werden würden. Aus diesem Grund muss man versuchen, bei der Größe der Lautsprecherbox, darauf zu achten, dass man "stehende" Wellen unterbindet.
 Aus diesem Grunde werden Lautsprechergehäuse innen mit Dämmmaterial ausgelegt. Dies soll Schallwellen diffus verteilen und die Entstehung von stehenden Wellen unterbinden, weil die Wellen mit dem Dämmmaterial unregelmäßig "gebrochen" werden - ähnlich einem Felsen, der im Teich heraussteht und der die kreisförmigen Wellen, welche entstanden sind nachdem man einen Stein in den Teich geworfen hat,  "bricht".

Diese Problematik ist aber nur ein Teilaspekt der Probleme mit dem Lautsprechergehäuse. In dem Augenblick, in dem man nicht nur einen Lautsprecher eingebaut hat ( bisherige Betrachtung ), sondern mehrere Lautsprecher im Gehäuse sind, beginnen diese untereinander und mit dem Gehäuse zu "interagieren". Lassen wir hier erst einmal die elektrostatischen Wandler außer Acht und betrachten wir mal nur die elektromagnetischen Wandler. Selbst wenn nur ein Lautsprecher im Gehäuse ist, sollte man daran denken, dass der Schalltrichter des Lautsprechers nicht nur Luft auf der Vorderseite bewegt. Bei großen Korb (also Tiefton-Lautsprecher ) wird eine ziemlich große Luftmenge in Bewegung gesetzt. Wenn die Lautsprecherbox luftdicht geschlossen ist, findet im Inneren der Box ein ständiger Wechsel zwischen Unterdruck und Überdruck statt. Dabei spielt es überhaupt keine Rolle, ob der Innenraum gedämmt ist oder nicht. Wenn die Trichtermembran nach außen geht, entsteht ein Unterdruck, der zusammen mit der elastischen Randaufhängung auf den Trichter einwirkt und diesen wieder zurück in die Ausgangslage bringen will. Geht die Trichtermembran nach innen zurück so entsteht im Inneren der Box ein Überdruck, der die Membran wieder zusammen mit der elastischen Aufhängung nach außen in die Ausgangslage zurück bringen will. Diese Kräfte dämpfen den Wirkungsgrad des Lautsprechers. 

Aus diesem Grund haben gerade Basslautsprecherboxen in denen Lautsprecher mit größeren Membranen verbaut sind häufig Zylinderförmige Röhren mit Öffnungen im Gehäuse, damit Luft Über - bzw. Unterdrücke nicht entstehen können und über diese Öffnungen ein Druckausgleich stattfindet.

Damit wäre auch bereits schon kurz der Unterschied zwischen einem offenen und einem geschlossenen System erklärt.

Bei einem geschlossenen System wird es ab dem Zeitpunkt, an dem ein zweiter Lautsprecher eingebaut ist, noch komplizierter. Die Bewegungen der einen Lautsprechermembrane erzeugt natürlich auch auf der Rückseite des zweiten Lautsprechers wahlweise Über- oder Unterdruck. Damit wird die Lautsprechermembrane des zweiten Lautsprechers  in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Also Eins raus und zwei rein - bzw. Eins rein und zwei raus. Der zweite Lautsprecher wird also bei der Wiedergabe anderer Töne vom ersten Lautsprecher beeinflusst. Jeder weitere hinzukommende Lautsprecher beeinflusst ( besser gesagt: stört ) die bereits vorhandenen Lautsprecher.

Bei einem offenen System werden die gegenseitigen Wirkungen und Interaktionen zwar geringer, aber ganz "wegbekommen" wird man diese Wechselwirkungen trotzdem nicht, weil sich die verschiedenen Lautsprecher um das vorhandene Luftvolumen in der Lautsprecherbox "raufen".

Wir hatten bereits schon vorher über Stehwellen gesprochen. Jeder weitere hinzukommende Lautsprecher im Gesamtkonzept verschärft die Problematik mit den Eigenresonanzen und Stehwellen.
Diese Probleme bekommt man zwar mit der Dämmwolle einigermaßen in den Griff, aber diese Lösung geht zu Lasten des verfügbaren Innenvolumens einer Box. Es bleibt unter dem Strich immer eine Kompromisslösung.

Alle diese Probleme habe eine teils größere, teils geringere Auswirkung auf ein Lautsprechersystem.  Nun sollten wir aber noch einmal einen genauen Blick auf die physikalischen Bedingungen der Lautsprechermembran selbst werfen. Dieses Problem wird regelmäßig unzureichend beachtet und führt regelmäßig dazu, dass selbst bei "HighEnd" Lautsprechersystemen die Leistungen oft nur mäßig ausfallen und sie zeigt "wo der Hase im Pfeffer liegt" und weshalb dieses Lautsprechersystem jedes kommerzielle "High-End" Lautsprechersystem "in die Tasche steckt":

Betrachten wir hierzu noch einmal einen einzelnen Lautsprecher im Detail. Noch genauer schauen wir uns mal an, was und wie die Schallmembran arbeitet - denn hier im Detail liegt das größte Hauptproblem des gesamten Lautsprechersystems - wo die guten glänzen und die schlechten einfach nur "Krachtüten" sind.  

            Außerdem hier nur kurz vor der Detailbetrachtung noch eine "Kleinigkeit", die im nächsten 
            Teilabschnitt noch richtig ausführlich behandelt wird: Einfache Lautsprechersysteme sind 
            wahlweise sogenannte "Zweiwege oder Dreiwege" Systeme, d.h. die Arbeit ein Klangbild zu 
            erzeugen wird auf zwei oder drei Lautsprecher verteilt - 

            - beim Zweiwegesystem gibt es einen wahlweise einen Tieftonlautsprecher, der ziemlich weit in 
            der höheren Mitteltonbereich kommt und einen Mitteltonlautsprecher, der auch noch den 
            Hochtonbereich abdeckt oder einen Mitteltonlautsprecher, der über ein Bassreflexsystem ( auf 
            das ich später noch gesondert im Detail eingehe ) die Bässe erzeugt und einem 
            Hochtonlautsprecher oder 

            - beim Dreiwegesystem gibt es im Regelfall einen Tieftonlautsprecher, einen 
            Mitteltonlautsprecher und einen Hochtonlautsprecher.  Manchmal wird in derartigen Systemen 
            der Mitteltonlautsprecher noch zusätzlich benutzt, um über ein Bassreflexsystem zusätzlich einen 
            Basslautsprecher zu emulieren ( Fachausdruck für : nachbilden ).

            - in selteneren Fällen gibt es noch Vierwegesysteme mit Basslautsprecher, tieferen 
            Mitteltonlautsprecher, höheren Mitteltonlautsprecher und Hochtonlautsprecher.

            - ganz selten ( quasi als "Paradiesvögel" oder "Exoten" sieht man ein Fünfwegesystem. Die 
            besten Vertreter dieser seltenen Gattung stammen von Sansui ( Ich habe noch ein  Paar 
            dieser seltenen "Exoten" ).

Doch nun zurück zur Membrane und zur Detailbetrachtung : Im Idealfall schicke ich einen sauberen Sinuston zum Lautsprecher und die Membrane muss nur diesen einen Ton sauber wiedergeben. Weil die Membrane sehr steif ist und wenn die elastische "Aufhängung" am Korb verzögerungsfrei die Schwingung zulässt und die elektromagnetische Spule ideal mit dem Magneten zusammenspielt - dann wird die Membran diesen Ton ( sagen wir mal 1000 Hz ) sehr sauber wiedergeben also die Schallwellen ganz sauber erzeugen. 

Der gesamte Hörbereich eines Menschen umfasst in guten Fällen einen Bereich von etwa 15 Hz bis etwa 18000 Hz. Töne in tieferen Tonbereich unterhalb von 15 Hz werden als "Infraschall" bezeichnet und können nicht mehr gehört werden - aber man "fühlt" dennoch diese tiefen Töne. Der obere Tonbereich wird auch nicht mehr direkt und bewusst als hörbare Frequenz wahrgenommen. Tatsächlich sprechen aber viele Untersuchungen dafür, dass dieser Tonbereich, der als "Ultraschall" bezeichnet wird dennoch wahrgenommen wird und subjektiv in der gehörten Wahrnehmung mit anderen hörbaren Tönen als "Klangfarbe" empfunden wird. Dies zeigt sich auch bei den elektronischen Komponenten der Anlage 
( Vorverstärker, Endverstärker ), bei denen die Geräte subjektiv als "transparenter Klang" empfunden werden, die höhere Töne noch rein  und sauber 
( - obwohl nicht direkt hörbar, aber über Messgeräte nachweislich ) übertragen.

Bei Zweiwegesystemen wird der Arbeitsbereich zwischen "oberen" und "unterem" Lautsprecher bei etwa 1800 Hz bis 2200 Hz aufgeteilt. Beim Dreiwegesystem erfolgt die Aufteilung vom "unteren" zum "mittleren" Bereich etwa bei 800 Hz bis 1200 Hz und der "mittlere" Bereich zum "oberen" Bereich findet etwa bei 4500 Hz bis 6000 Hz statt.

Dies bedeutet im konkret betrachteten Fall, dass der Lautsprecher, der den Ton von 1000 Hz wiedergab insgesamt für den gesamten Tonbereich von etwa 800 Hz bis etwa 5000 Hz zuständig ist. Was passiert also genau, wenn zwei Töne ( z. B. der 1000 Hz Ton und zusätzlich ein weiterer Ton bei z.B. 3500 Hz ) wiedergeben werden sollen ? Schwingt dann etwa die Membran einmal mit 1000 Hz und dann einmal mit 3500 Hz und dann wieder eine Schwingung mit 1000 Hz und dass Ganze so weiter ? Oder bildet die Membran einen Mittelwert und schwingt mit etwa 2750 Hz ? Wenn man mit Versuchen diesen speziellen Fall nachbildet, passiert etwas komisches: Wenn man den einen Lautsprecher mit einem sauberen 2750 Hz Ton ansteuert und auf dem anderen Lautsprecher beide Töne - also 1000 Hz und 3500 Hz - einspeist klingen die beiden Lautsprecher nicht gleich. Der Lautsprecher unterscheidet also zwischen beiden Tönen und bildet nicht einen "Durchschnitt" der beiden Töne, sondern liefert etwas wie eine eigene "Interpolation" ( gemittelter Wert ) und eine eigene "Interpretation" ( eigene Auslegung ) dieser beiden Töne an die Umgebung. Beide Töne kommen nicht mehr als "sauberer" bzw. "reiner"  Ton aus dem Lautsprecher - aber die subjektive Interpretation kann von unserem Ohr dennoch als ein "Mix" aus beiden Tönen gehört werden und wir glauben sogar die beiden Einzeltöne herauszuhören. Je besser der Lautsprecher ist, desto besser glauben wir die beiden Töne unterscheiden zu können. Je schlechter der Lautsprecher ist, desto eher kommt ein "gemittelter" Einheitsbrei aus dem Lautsprecher, den wir nicht differenzieren ( unterscheiden, trennen ) können.

Bei genauerem Hinsehen stellt man fest, dass einfachere Lautsprechermembranen entweder über die Gesamtfläche der Membran zu steif sind oder zu "labbrig" ( also zu weich ). Das Ergebnis ist "Einheitsbrei". Bei besseren Lautsprechern weist die Membran ( bezogen auf die Gesamtfläche der Membran ) in verschiedenen Bereichen der Membran verschiedene Steifigkeiten aus und kann somit die verschiedenen Töne jeweils mit verschiedenen Bereichen der Membran ( im Idealfall ) nachbilden.

Dies ist natürlich nur eine Teilwahrheit. In Wirklichkeit ermöglicht die Membran mit variabler Steifigkeit  nur eine genauere Nachbildung der beiden Töne. Dies ist aber Trotz allem nur begrenzt möglich und bei der Festlegung der Steifigkeit der Membran wird ein auf Erfahrungswerte ermittelter Kompromiss umgesetzt. Unter dem Strich bleibt es aber immer noch ein Kompromiss mit Stärken und Schwächen und je größer der Tonbereich ist, für den der Lautsprecher zuständig ist, desto schwieriger wird es für den Lautsprecher mehrere Töne gleichzeitig zu "interpretieren" und desto stärker wirkt sich die Physik negativ auf das Ergebnis - also den Klang - aus.

Wenn man also absolut kompromisslos vorgehen will bei der Konzeption eines Lautsprechersystems, desto sicherer landet man bei einem Konzept, bei dem der Tonbereich ( für den ein Lautsprecher jeweils zuständig ist ) eingegrenzt werden muss. Der Idealfall wäre also ein einzelner Lautsprecher für jeden einzelnen hörbaren Ton. Spätestens hier wird man letztlich doch gezwungen aus finanziellen Gründen und wegen des technischen Aufwandes doch einen Kompromiss einzugehen.  Das hier vorgestellte Konzept geht aber immer noch weit über alle derzeit vorliegenden Konzepte hinaus und schränkt den Kompromiss auf ein "akzeptables" Minimum ein.

Das vorliegende Resultat ist eine Zwölfwegebox mit zwölf Lautsprechern und eigentlich hat diese Box sogar dreizehn Wege ( Tonbereiche ) , da auch noch ein Bassreflexsystem (intern ) hinzukommt. 

Betrachtet man den menschlichen Hörbereich mit Hilfe der Tonleiter, so umfassen alle "klassischen" Instrumente zusammen etwa sechs Oktaven ( eine Oktave ist eine Tonleiter aus acht aufeinander folgenden Tonhöhen ). Das "Gesamtspektrum" von 6 Oktaven umfasst also insgesamt 6 mal 8 - also insgesamt  48 - Töne. Nimmt man die elektronischen Instrumente wie Synthesizer hinzu, kommt man auf rund 60  hörbare Töne. Wenn ich also diesen "Gesamttonbereich" auf 12 verschiedene Lautsprecher aufteile, so hat jeder Lautsprecher einen "Zuständigkeitsbereich" im Idealfall von nur etwa 4 bis 5 Tönen. Dieser überaus enge Tonbereich grenzt die physikalischen Probleme, die bis hierhin geschildert wurden nahezu vollständig aus - mit anderen Worten kein Lautsprecher muss irgendwelche größeren Kompromisse "abliefern" und jeder Lautsprecher kann nahezu kompromisslos seinen Arbeitsbereich mit den ihm obliegenden Arbeitsaufgaben ( nämlich saubere Schallwellen zu erzeugen ) erbringen.

Ein zweites wichtiges Problem im Zusammenhang mit den Lautsprecherweichen ist der Schalldruck. Um ein ausgewogenes Klangbild zu erhalten, ist es zwingend erforderlich den Schalldruck jedes einzelnen Lautsprechers im System auf einen "Nennpegel" einzumessen und einzueichen. Nur wenn jeder Lautsprecher exakt den gleichen Schalldruck erzeugt - also die gleiche Lautstärke produziert, ist ein ausgewogenes Klangbild über den ganzen Frequenzbereich des gesamten Lautsprechersystems gewährleistet.

 
Dabei wurden bis jetzt nur die reinen physikalischen Probleme beleuchtet. Kommen wir nun zu den elektronischen Problemen. Denn das bisher gesagte und das jetzt vorgeschlagene Konzept klingt zwar einfach und logisch - ist aber in der elektronischen Umsetzung ebenfalls mit ganz erheblichen Problemen behaftet, auf die wir nun hier näher eingehen wollen.

Der "Hund" liegt bei den Filtern "begraben". Ziel ist es den "Arbeitsbereich" jedes einzelnen Lautsprechers so genau wie möglich auf wenige Tonhöhen einzugrenzen - aber ohne dass die "benachbarten" Lautsprecher "mitspielen". Im elektronischen Bereich ist es an sich kein allzu großes Problem ein Musiksignal mit Hilfe von Filtern bis auf einen oder zwei Tonbereiche auszufiltern - im "Kleinsignal"-Bereich ( also bei Spannungen von etwa 0,1 Volt oder anders gesagt 100 Millivolt bis etwa 5 Volt ). Bei höheren Spannungen, wie die am Lautsprecher anliegenden 40 Volt bis 120 Volt sieht das Ganze völlig anders aus. Hier fangen die Probleme richtig an.....

Dazu vorab die Erklärung der Maßeinheit Dezibel ( kurz dB ):
Erst einmal eine Tabelle...
Dezibel ( dB) Dämpfungsfaktor
0 1
0,5 0,94
0,5 
10 0,32 
12 0,25
18 0,125 
20 0,1
40 0,01
60 0,001
80 0,0001 
100  0,00001

Die Tabelle veranschaulicht dass die Maßeinheit dezibel eine logarithmische Funktion ist. Auf einen Filter angewendet bedeutet dies, wenn ein Filter eine Dämpfung von 12dB hat, so wird der "Nachbarton" nur noch ein Viertel so laut sein wie der "ungefilterte" Ton. Der übernächste Ton ist nur noch mit einem Achtel der Lautstärke zu hören usw.
Bei einem Filter mit 18dB wird der "Nachbarton" nur noch mit einem Achtel der Originallautstärke zu hören sein und der "übernächste" Ton hat nur noch ein sechzehntel der Originallautstärke, usw.  ....
  
Normale Lautsprecherweichen haben eine Dämpfung von 6 dB bis 12 dB. Gute Lautsprecherweichen haben eine Dämpfung von etwa 12 dB bis 18 dB.  In ganz seltenen Fällen findet man in käuflichen Lautsprechersystemen Weichen mit einer Dämpfung von 18 dB bis 24 dB. Wie bereits gesagt haben Filter im "Kleinsignalbereich"  auch Dämpfungen bis 60 dB und im "Extremfall" werden auch Dämpfungen von 100 dB erreicht. Um derartige Werte aber zu erreichen müssen sogenannte "Meßwiderstände" und "Meßkondensatoren" verwendet werden, die Toleranzen von 1% oder weniger aufweisen und selbst dann muss noch ein regelbarer Widerstand verwendet werden, damit von Hand mit Hilfe eines Messgerätes ein solcher Filter einjustiert werden kann. Da aber diese speziellen Bauelemente nur geringe Leistungen ( auf die ich hier nicht näher eingehen will ) - also maximal 1 Watt - verkraften, können derartige Filter nur ausschließlich im Kleinsignalbereich in die Praxis umgesetzt werden. Wenn man einen derartigen Filter eine Spannung von 40 Volt bis 80 Volt ( welche am Lautsprecher anliegen ) aussetzen würde, würde der Filter sofort kommentarlos sich in Rauch auflösen und "abfackeln". Widerstände und Kondensatoren, welche in diesem Spannungsbereich ( also für Lautsprecher etwa 40 Volt bis 80 Volt ) eingesetzt werden müssen eine Leistung von mehr als 10 Watt verkraften und Bauelemente in dieser Leistungsklasse weisen regulär eine Toleranz von 20% und im allerbesten Fall 5% auf. Die Folgen dieses Problems werden auf der Seite - in der die Filter behandelt werden - genauer erläutert.

Dies bedeutet im Klartext, wenn ich einen Widerstand von 1 Kiloohm ( also 1000 Ohm ) mit 20% Toleranz in der Hand halte kann der tatsächliche Wert irgendwo zwischen 800 Ohm und 1200 Ohm liegen..... und bei einer Toleranz von 5 % ist die Spannbreite des tatsächlichen Wertes immer noch irgendwo zwischen 950 Ohm und 1050 Ohm !

Hier an dieser Stelle sei erst einmal nur festgestellt, dass diese Toleranzen der Bauelemente in einem Filter unakzeptabel sind. Da könnte man als Mittel zur Abgrenzung der "Arbeitsbereiche" des Lautsprechers genauso gut einen "Lottogenerator" oder ein "Schätzeisen" verwenden. Filter im "High-End" -Bereich machen nur Sinn, wenn dort mindestens die Genauigkeit eines Messgerätes
- also weniger als 1% - umgesetzt werden können. Bei den in den Filtern verwendeten Spulen ist das Problem der Toleranzen noch schlimmer. Dort sind Toleranzen von 10% üblicherweise schon als "Spitzenwert" anzusehen und  es herrschen dort normalerweise Toleranzen von 20% bis 25% !

Im Klartext bedeutet dies beim Bau von diesem Lautsprechersystem, dass man alle Bauelemente in den 12 Frequenzweichen von Hand aus einer Vielzahl von gleichen Bauelementen ausmessen muss, um sich dann für das eine passende Bauelement zu entscheiden und dieses dann in die Weiche einzulöten. Auch dies ist ein triftiger Grund, weshalb es niemals sich rechnen würde dieses Lautsprechersystem in Serie zu fertigen. Dieser Aufwand ist für ein kommerzielles Lautsprechersystem schlichtweg nicht bezahlbar - oder wenn , dann würden diese Lautsprecherboxen über 20.000,00 € pro Stück kosten müssen. Der Käuferkreis wäre verschwindend klein.

Wenn man aber dieses Lautsprechersystem selbst baut ist der Aufwand wegen des überragenden Ergebnisses in jedem Falle gerechtfertigt - besonders weil dieser Arbeitsaufwand nur einmal erbracht werden muss und man dann ( so man sorgsam mit diesen Boxen umgeht ) dieses Thema für den Rest seines Lebens "abhaken" kann.

 
Alle hier auf dieser Seite kurz angerissenen Probleme waren irgendwann einmal - jedes Problem für sich alleine - bereits Gegenstand von einem oder mehreren Artikeln oder Untersuchungen. Die bei den Herstellern mit diesen Problemen befassten Ingenieure sind höchstbezahlte Spezialisten, die viele dieser Probleme in ihrer Komplexität  intuitiv bewerten und instinktiv auf Grund langjähriger Erfahrungen einschätzen. Und dennoch müssen diese Ingenieure regelmäßig mit Prototypen in das Messlabor und dort mit simplen praktischen Messungen ihre Einschätzungen überprüfen und laufend dazu lernen. Eins dürfte aber spätestens nach dem Lesen dieser Seite jedem klar werden, eine Lautsprecherbox zu bauen ist relativ leicht - allerdings wenn dieses Lautsprechersystem den Anspruch erheben soll "High-End" zu sein, dann gehört weit mehr als nur handwerkliches Geschick dazu, um ein tragfähiges Konzept für ein solches System zu erstellen und dieses zu bauen. Lange bevor das erste Holzbrett gesägt wird ist zuallererst die Arbeit mit Papier, Bleistift und Taschenrechner gefragt. Alle Komponenten bis hin zur letzten Leiste im Gehäuse und dem letzten Widerstand in der Lautsprecherweiche müssen bis ins Letzte durchgerechnet werden. Ich habe bis zum fertigen Entwurf dieses Lautsprechersystems rund 80 Stunden Rechenarbeit abgeleistet, bevor ich die Reinzeichnungen für dieses Lautsprechersystem erstellt habe. Diese Arbeit verteilte sich über mehrere Monate (!) , weil ich mir erst Tabellen und Formeln besorgen musste, um überhaupt korrekte Rechnungsgrundlagen zu haben..... Da wird jedem auch langsam klar, weshalb ich für das Gesamtkonzept dieser Lautsprecherbox - vom Beginn erster Recherchen - bis zur fertigen Lautsprecherbox insgesamt über zwei Jahre brauchte. Der Vorteil nun: wenn jetzt durch die Verwendung anderer Lautsprecher teile des Konzeptes angepasst werden müssen, liegen gesicherte Erkenntnisse und Berechnungsgrundlagen vor, die den Aufwand der Änderungen in vertretbaren Grenzen halten. Aber wenn die Box "High-End" werden soll, sollte jede Änderung vorher exakt durchgerechnet werden, da die Wechselwirkungen sonst unkalkulierbar werden. Alle wichtigen Formeln werden hier mit Rechenbeispielen bereitgestellt.
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© Harro Walsh