Membrangröße
Mehrwege-Lautsprecher-Boxen
Resonanz
Impedanz
Standort

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Der Lautsprecher ist das kritischste Element der gesamten HiFi-Kette. Seine Aufgabe ist einfach:

• Wandle elektrische Spannungsschwankungen in proportionale Luftdruckwellen um!

Was man leichthin als Charakter eines Lautsprechers bezeichnet, ist natürlich nur sein individuelles Fehlerbild - seine Abweichung vom Ideallautsprecher. Umso wichtiger ist es, dass man den Lautsprecher findet, der dem eigenen Geschmack am nächsten kommt.

Gute Lautsprecher sind nicht billig. Ein angemessener Preis für ein Lautsprecherpaar ist der Gesamtpreis von Verstärker, CD-Player und Tuner zusammen!

Weiter unten beschreibe ich einige generelle Probleme im Lautsprecherdesign. Das soll nur illustrieren, dass jeder Lautsprecher nur ein Kompromiss sein kann.
 

Um Luftdruckschwingungen zu erzeugen, bewegt man durch einen Elektromagneten eine leichte flache Membran. Die Membran bewegt sich entsprechend den elektrischen Signalen vor und zurück, und schon haben wir hörbare Luftdruckwellen. Auf die Membranrückseite klebt man eine Spule, die vom Verstärkersignal durchflossen wird, und in diese Spule ragt von hinten ein starker Elektromagnet hinein, der am Lautsprecherkorpus befestigt ist und die Spule nicht berührt. Dadurch braucht nur die leichte Spule, aber nicht der schwere Magnet bewegt zu werden.

Wieviel Leistung setzt so ein Lautsprecher um? Jede Membranbewegung erfordert etwas Energie. Je öfter die Membran pro Sekunde bewegt wird, desto mehr Leistung wird umgesetzt. Folglich steigt die Leistung mit der Tonfrequenz.. Um trotzdem einen ordentlichen Basspegel niedriger Frequenz abzustrahlen muss man also pro Membranhub mehr Arbeit leisten. Das erreicht man entweder durch eine größere Membranfläche, oder einen größeren Hub.

Die Membran ist möglichst leicht gebaut, um schnell dem elektrischen Signal Folge leisten zu können. Außerdem ist sie sehr steif, damit die ganze Membran immer gemeinsam schwingt. Auch die typische Konusform dient der Versteifung der Konstruktion. Diese große leichte Konstruktion mag für langsame Bewegungen (tiefe Töne) ideal sein, bei hohen Frequenzen wird aber der äußere Teil der Membran einfach stehen bleiben, oder merkwürdige Überlagerungsschwingungen ausführen, da die Wellenlänge der Schwingung kleiner als der Membranradius wird. Es schwingen dann nicht mehr alle Teile der Membran im gleichen Rhythmus. Die von der Schwingspule übertragene Schwingung läuft als Schallwelle in der Membran vom Zentrum zum Rand, wird dort reflektiert, und läuft zurück. Dieses Echo überlagert sich mit den nächsten hinlaufenden Wellen. Bei bestimmten Frequenzen entstehen durch diese Überlagerung sogenannten stehenden Wellen, bei denen unterschiedliche Bereiche der Membran gegenphasig schwingen. Während sich die Mitte der Membran nach vorn bewegt, schwingt der Rand nach hinten und umgekehrt. Dabei wird dann kaum noch Schall abgestrahlt. Eine Membran kann mehrere solche Resonanzfrequenzen aufweisen. Man sollte also nicht versuchen mit einer großen Membran so hohe Frequenzen abzustrahlen.
Für hohe Frequenzen braucht man eine kleinere und damit leichtere Membran. Diese kann dann auch höheren Frequenzen leichter folgen.

Es gibt einen weiteren Grund, hohe Frequenzen mit kleinen Membranen abzustrahlen, die Schallbündelung.
Hohe Frequenzen haben in Luft nur eine Wellenlänge von wenigen Zentimetern. Eine 5 kHz-Welle  ist etwa 6 cm lang. Befindet sich der Zuhörer mittig vor dem Lautsprecher, dann ist seine Entfernung zu allen Teilen der Membran gleich groß (der Einfachheit halber gehe ich von einer flachen Membran aus). Sitzt man aber etwas seitlich, dann ist der Abstand zum linken Rand der Membran nicht gleich dem Abstand zum rechten Rand der Membran. Damit treffen die von diesen beiden Orten abgestrahlten Wellen nicht gleichphasig (also im gleichen Takt) beim Hörer ein. Ist der Entfernungsunterschied z.B. 3 cm (also die halbe Wellenlänge) dann ist das eine Signal genau entgegengesetzt dem anderen Signal. Beide Wellen löschen sich gegenseitig aus. Der Ton ist leiser als in der Mitte vor dem Lautsprecher.
Nun strahlen ja nicht nur die Ränder der Membran, sondern die ganze Membranoberfläche, aber die Lautstärke nimmt bei nicht-mittiger Hörerposition stark ab und ist generell winkelabhängig. Diese Abhängigkeit steigt mit der Frequenz und mit dem Lautsprechermembrandurchmesser.
Erst wenn der Membrandurchmesser deutlich kleiner ist, als  die halbe Wellenlänge, dann ist der Effekt zu vernachlässigen. Deshalb macht man Hochtöner-Membranen möglichst klein (ca. 2 cm) und formt sie zusätzlich noch konvex, z.B. als nach außen gewölbte Kugelsektion.

Über den Daumen gepeilt:
kann man den Öffnungswinkel einer flachen Membran wie folgt berechnen:  W = arcsin(0.88 * Wellenlänge / Membrandurchmesser).
Deshalb sollte der Membrandurchmesser immer kleiner als 2 Wellenlängen sein, dann ist der Öffnungswinkel noch bei etwa 25°. Für ein 15 kHz-Signal ergibt sich also eine maximaler Membrandurchmesser von 4cm. Eine konvex geformte Membran vergrößert den Abstrahlsektor, vermindert aber gleich zeitig die Schallabstrahlung in Hauptrichtung mit steigender Frequenz.
 

Man kann nun auf den großen, weichen Membrankonus (für tiefe) noch zentrisch einen kleine steife Membran-"Beule" (Dom) für hohe Frequenzen aufkleben. Das verbessert die Abstrahlung hoher Töne, aber gleichzeitig strahlt die große Membran auch noch ihre verzerrten hohen Töne aus.

Besser ist die Nutzung getrennter Lautsprechersysteme für verschiedene Frequenzbereiche. Dafür werden in eine Gehäuse zwei oder drei unterschiedliche Lautsprecher eingesetzt, die jeweils für einen Bereich des Frequenzspektrums optimiert sind. Eine elektrische Frequenzweiche spaltet das Signal des Verstärkers in Frequenzbereiche, und leitet jedem Lautsprecher sein Frequenzband zu. Daraus ergeben sich eine Reihe neuer Probleme:

• die verschiedenen Frequenzen werden von verschiedenen Membranen - also von verschiedenen Orten aus - abgestrahlt.
• im Frequenz-Übergangsbereich zwischen zwei Lautsprechern, arbeiten beide parallel, werden aber nicht identisch klingen.

Resonanz

Die Membran eines Lautsprechers ist federnd aufgehangen. Das kann man leicht nachprüfen, wenn man die Membran eines Tieftöners mit dem Finger vorsichtig ein paar Millimeter in die Lautsprecherbox hinein drückt. Wird der Finger wieder weggenommen, kehrt die Membran in ihre Mittelstellung zurück. (Finger weg von Hochtönern!)
So ein federnd aufgehangenes Gebilde ist aber ein (in diesem Fall stark bedämpftes) Pendel. So ein Pendel schwingt bevorzugt mit einer Resonanzfrequenz. Bei höheren und niedrigeren Frequenzen schwingt es mit kleinerer Amplitude. Ein Lautsprecherchassis hat also Bandpasseigenschaften. Damit diese nicht zu stark ausgeprägt sind, ist das "Pendel" bedämpft, eine Membran schwingt also nach dem Anschubsen nicht etliche male hin und her. Man bezeichnet das auch als geringe Güte. Eine Güte (Q) von 0,707 gilt für einen Lautsprecher als guter Kompromiss. Baut man eine Chassis aber in eine Box ein, dann wirkt die Luft in der Box wie eine zusätzliche Feder, und verändert (erhöht) die Güte. Dieser Effekt ist um so stärker, je kleiner das Luftvolumen der Box ist. Deshalb werden die Chassis mit einer sehr niedrigen Freiluft-Güte Qts von 0,25 bis 0,7 hergestellt. In eine Box geeigneter Größe eingebaut, ergibt sich dann eine Gesamtgüte Qtc von ~0,707. Deshalb ist für jedes Chassis genau vorgeschrieben, wie groß das Boxenvolumen sein sollte.

In der Praxis haben fertige Lautsprecher eine Güte Qtc zwischen 0,6 und 1,0. Je kleiner Qtc ist, um so weniger Bass strahlt sie ab. Die Box kling "schlanker". Bei großem Qtc wird die Box  im Bereich der Resonanzfrequenz zu laut, sie klingt unausgewogen und dröhnend.

Im Bereich der Resonanzfrequenz steigt der Scheinwiderstand (Impedanz) des Lautsprechers an. Der Verstärker muss in der Lage sein, damit umzugehen.

Unterhalb der Resonanzfrequenz wird kaum noch Energie abgestrahlt. Aus diesem Grunde müssen Tieftonchassis eine tiefe Resonanzfrequenz aufweisen. Beim Einbau in eine Box erhöht sich aber die Resonanzfrequenz. Es gilt: je kleiner die Box, desto höher die Resonanzfrequenz, und desto weniger Basssound. Für eine gute Basswiedergabe ist also eine große Box mit hohem Luftvolumen nötig.
 

Impedanz

Der Widerstand (Impedanz) eines Lautsprechers ist frequenzabhängig. Eine 8-Ohm-Box hat manchmal je nach Frequenz einen Widerstand der zwischen 4 und 16 Ohm schwankt. Dabei ist der Widerstand im Bereich der Resonanzen der Chassis am größten, und im Übergangsbereich zwischen den Lautsprecher-Frequenzkanälen am kleinsten. Das stellt den Verstärker vor große Probleme. Er muss bei solchen Boxen nämlich unabhängig von der Frequenz und unabhängig vom Lautsprecherwiderstand stets eine konstante Verstärkung garantieren. Bricht die Verstärkerausgangsspannung bei kleinen Lautsprecherlasten etwas zusammen, dann verringert sich die Ausgangsleistung dramatisch. Im Ergebnis wäre die Ausgangsleistung frequenzabhängig. Die unterschiedlichen Töne der Musik würden unterschiedlich stark wiedergegeben werden.

Verstärker und Lautsprecher müssen also für einen optimalen Klang zusammenpassen. Mir fällt auf, dass Lautsprecherimpedanzen besonders bei hochwertigen Boxen schwanken, und dass hochwertige Verstärker dafür besonders stabil arbeiten. Ein einfacher Billigverstärker an hochwertigen Boxen ist also problematisch.
Klarheit bringt nur ein Test im Hörraum des Händlers.

Es ist für eine Verstärker sehr schwierig, mit Lautsprechern zurecht zu kommen, deren Impedanz teilweise unter 4 Ohm fällt. Aus diesem Grunde sollte man im Heim-Audiobereich 8 Ohm-Boxen verwenden.
Im Car-Audio-Bereich gibt es Subwoofer mit 1 oder 2 Ohm. Das hat seine Berechtigung, da im Auto-Verstärker die Betriebsspannung mühsam mit Transvertern aus den 12V des Bordnetzes erzeugt werden muss. Subwoofer mit 4 oder 8 Ohm benötigen für hohe Leistung aber höhere Spannungen als niederohmige Subwoofer.
 

Standort

Auch die Aufstellung des Lautsprecher beeinflusst seinen Klang. Der vom Lautsprecher nach teilweise hinten abgestrahlte Tieftonanteil wird von der Wand reflektiert und phasengedreht. Das Echo läuft dann zusammen mit dem Originalschall zum Hörer. Je nach Frequenz und Lautsprechertyp kann sich das verbessernd oder verschlechternd auf den Klang auswirken.
Regalboxen sollten direkt an der Wand (bzw. im Regal) aufgestellt werden, während Standboxen einige Dezimeter von der Wand entfernt stehen sollten. Das Optimum muss man jeweils ausprobieren