Funktions- und Bauweise, Vor- und Nachteile und vieles mehr

Großes Special: Lautsprecher und Boxen für Bass&Gitarre

Ein Lautsprecher gehört zur Elektrogitarre und zum E-Bass genauso wie die Tonabnehmer und der Verstärker, schließlich kommt diesem letzten Glied in der Übertragungskette die wichtige Aufgabe zu, das in elektrische Spannungen umgewandelte und leitungsmäßig hochverstärkte Tonsignal wieder in Schallwellen zurück zu verwandeln. Und der Bezeichnung als Laut-Sprecher ist beim Instrumenteneinsatz eine doppelte Wahrheit beizumessen: Zum einen “spricht” der Lautsprecher als elektroakustischer Wandler Laute aus, zum anderen kann es dabei durchaus laut zugehen.

Um die Aufgabe zu erfüllen, elektrische Signale in hörbaren Schall zu verwandeln, sind etliche verschiedene technische Prinzipien gebräuchlich, die allesamt dazu dienen, Luftmassen analog zum elektrischen Signalverlauf in Bewegung zu versetzen, um dadurch eine gehörmäßige Schallwahrnehmung zu erzeugen. Denn beim Phänomen der Schallwellen handelt es sich um nichts anderes als um periodische Druckunterschiede, wobei unser Gehör Druckschwankungen im Frequenzbereich von ca. 20 Hertz bis ca. 16 kHz als Schallwellen wahrnimmt. Und um Luftteilchen komprimieren zu können, muss der Lautsprecher über bewegliche Teile verfügen, zum Beispiel über eine Membran, welche die Luftteilchen hin- und herschiebt.

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Bass-Verstärker-Stack von Ampeg, schwarz
FOTO: Dieter Stork

Wie gesagt, haben sich findige Leute die verschiedensten Anordnungen ausgedacht, um eine Lautsprechermembran mittels elektrischer Ströme in Bewegung zu versetzen. Die meisten Anordnungen sind jedoch Exoten geblieben, und Bändchenlautsprecher wie Elektrostaten (“Kondensator-Lautsprecher”),  Ionophone und Biegewellenlautsprecher werden zwar von einer kleinen Schar begeisterter HiFi-Enthusiasten vor dem Vergessen bewahrt, wirklich durchgesetzt hat sich jedoch für alle Anwendungen das dynamische Prinzip, und höchstens noch die piezokeramischen Schallwandler sind gelegentlich im Musikereinsatz anzutreffen. Da der dynamische Lautsprecher also praktisch alleine das Feld bestimmt, wollen wir hier seiner Wirkungsweise auf den Grund gehen.

Interessanterweise handelt es sich beim dynamischen Lautsprecher um das Exakte Gegenstück zum dynamischen Mikrophon, er ist aus den gleichen Teilen aufgebaut, nur anders dimensioniert. Wo beim dynamischen Mikrophon durch auftreffenden Schall eine kleine Membran in Bewegung versetzt wird, die ihrerseits eine angeklebte Schwingspule im Feld eines Magneten bewegt, entsteht nach den Gesetzen der Induktion eine kleine Wechselspannung in der Spule, deren Frequenz und Stärke ein Abbild des auftreffenden Schalls bzw. der Membranbewegung darstellt. Andersherum funktioniert es auch: Wenn durch eine Drahtspule, die den Kräften eines Magnetfelds ausgesetzt ist, ein Wechselstrom geleitet wird, so lässt sich daraus auch wieder eine Bewegung erzielen. Der Grund dafür ist recht einfach nachzuvollziehen; der Wechselstrom, der die Spule durchfließt, erzeugt selbst ein magnetisches Wechselfeld, dessen momentane Polarität und Stärke vom Verlauf des Wechselstromsignals abhängt. Wenn nun die Spule selbst “magnetisch” wird und sich dabei in einem magnetischen Gleichfeld befindet, kommt es je nach Polarität der Magnetismen mal zur Anziehung, mal zur Abstoßung zwischen Magnet und Spule. Gleiche Polaritäten stoßen sich bekanntlich gegenseitig ab, ungleiche ziehen sich an. Dieser Effekt wird beim Lautsprecher dazu ausgenutzt, mittels eines Signalstroms eine Lautsprechermembran in Bewegung zu setzen.

FOTO: Udo Pipper
1966 Marshall-Pinstripe-Box

Aufbau und Einzelteile des dynamischen Lautsprechers

Die wichtigsten Zutaten sind bereits aufgezählt: Der Permanentmagnet, die Schwingspule und die Membran des Lautsprechers (engl. Loudspeaker, Speaker). Bei modernen Lautsprechern ist der Magnet durchweg als Topfmagnet ausgeführt, mit einem ringförmigen Spalt, in den die Schwingspule (enkl. Coil) eintaucht. Bei dieser Konstruktion erzielt man die stärksten Magnetkräfte, was schließlich wichtig ist, um mit möglichst geringen Strömen eine starke Abstoßung/Anziehung zwischen Magnet und Spule zu erhalten.

Alumembran eines Hornhochtöners mit Schwingspule

Der Spulendraht ist in der Praxis um einen zylindrischen Träger aus Papier, Aluminium (bessere Wärmeableitung) oder Kunststoff gewickelt und aufgeklebt. Dieser Träger dient im Wesentlichen der Stabilität und dem Formerhalt der Spule, ferner bei Hochleistungslautsprechern auch der Wärmeabfuhr. Denn wo Ströme fließen und elektrische Leistung verbraucht wird, entsteht unweigerlich auch Wärme. Übrigens kann ein dynamischer Lautsprecher nur einen kleinen Bruchteil der zugeführten Leistung auch wirklich in Bewegung umwandeln, der Rest fällt als (unerwünschte) Wärmeabstrahlung an. Was bei einem kleinen Radio-Lautsprecher, der nur wenige Watt zu verarbeiten hat, noch keine Probleme bereitet, kann bei einem Instrumentenspeaker, der dauerhaft mit hohen Leistungen betrieben wird, schon kritisch sein. Denn der Klebstoff, mit dem die SPule auf dem Träger befestig ist, hält zwar recht hohe Temperaturen aus, unzerstörbar ist er dennoch nicht. Der Tod eines überlasteten Lautsprechers vollzieht sich regelmäßig nach dem gleichen Schema: Wenn der Spulendraht nicht wegen der Überlastung sofort durchbrennt, löst sich der Klebstoff auf, die einzelnen Drahtwindungen fallen vom Träger ab und verklemmen sich im Magnetspalt – Finito. Nicht nur aus Gründen der Leistungsfähigkeit, sondern auch wegen der Wärmeabfuhr besitzen hochwertige Instrumenten-Lautsprecher besonders große Magneten mit dicken Metall-Polplatten und meist auch eine rückwärtige Belüftungsöffnung für den Magnetspalt.

Preiswerter Lautsprecher mit kleinem Magnet und Pressblechkorb

Am  Schwingspulenträger ist die Lautsprechermembran (engl. Cone) befestigt, deren Aufgabe es ist, die Luftmassen effektiv in Bewegung zu versetzen.Die Lautsprechermembran ist, um NAchteile durch Masseträgheit zu vermeiden, in aller Regel aus einem leichten Papiermaterial gebaut und gewinnt ihre Stabilität durch die Formgebung. Früher war der Membrantrichter einfach konisch geformt, im Laufe der Zeit setzte sich jedoch die noch stabilere “Nawi”-Membran durch, deren Form eher einem Exponentaltricher ähnelt und die im Gegensatz zum Konustrichter “nicht abwickelbar” (daher das Namenskürzel) ist. Auch eine völlig ebene Membran wäre denkbar, allerdings bietet die geläufige Trichterform eine höhere Stabilität und auch die größere Fläche bei gleichem Durchmesser. Die Membranfläche spielt wiederum für die Effektivität des Lautsprechers eine Rolle, und vor allem für die wirkungsvolle Abstrahlung tiefer Frequenzen ist man auf eine möglichst große Membranfläche angewiesen.

Hochleistungslautsprecher mit Gußkorb

Nun soll ja sich die fest verbundene Einheit Schwingspule/Membran frei im Magnetspalt bewegen können, ohne anzustoßen oder festzuklemen. Dazu bedarf es einer führenden Aufhängung, die aber die Vor- und Rückwärtsbewegung der Membran nciht behindern darf. Dort, wo der Schwingspulenträger den Magnetspalt verlässt und an die Papiermembran angeklebt ist, sorgt die Zentriermembran (engl. Suspension) dafür, dass die Schwingspule mittig und frei im Magnetspalt geführt wird. Meistens besteht diese Zentriermembran aus einem lackgetränkten, konzentrisch gewellten Gewebematerial, welches eine hohe Stabilität gegenüber exzentrischen Kräften aufweist, die Kolbenbewegung (Vor- und Rückbewegung) der Schwingspule/Membran innerhalb eines gewissen Bereichs aber nicht behindert. Da eine einzige Aufhängung nicht reicht, um die Einheit von Membran und Schwingspule verkantungsfrei zu führen, ist der äußere Membranrand mit einer weiteren, in Ausrichtung schwingfähigen Aufhängung versehen, der sogenannten “Sicke” (engl. Surround). Wie die Zentriermembran ist auch die Sicke meist mit einer konzentrischen Wellenprägung versehen, was den Bewegungswiderstand in Achsrichtung herabsetzt, ohne die Führungsstabilität zu beeinträchtigen. Die Sicke besteht bei Gittarrenspeakern meist aus dem gleichen Material wie die Lautsprechermembran oder ist sogar ein Teil mit ihr. Um Materialermüdung herauszuzögern und definiertere Eigenschaften zu erzielen, ist eine solche Papiersicke in aller Regel mit Lack imprägniert. Freilich kann die Sicke auch aus einem anderen Material bestehen, und vor allem bei kräftigen Bass-Lautsprechern wird hier eine ähnliches Gewebematerial wie für die Zentriermembran verwendet.

Übrigens spielt die Steife der Membranaufhängungen auch eine Rolle für die Übertragungseigenschaften des Lautsprechers, insbesondere die tiefste übertragbare Frequenz und der Wirkungsgrad werden von der Steife der Einspannung beeinflusst.

Lautsprechersicke aus Gewebematerial

Und völlig ungehindert darf sich eine Lautsprechermembran ja auch nicht bewegen können, weil die Schwingspule sonst bei kräftigen Impulsen den Magnetspalt verlassen (und bei der Rückkehr mit einiger Wahrscheinlichkeit die enge Spaltöffnung verfehlen) würde. Außer der Zentrier- und Führungsfunktion gewähren die beiden Einspannungen der Membran auch gewisse Rückstellkräfte, die einen sicheren Betrieb innerhalb des zulässigen Bewegungsspielraums gewährleisten.

Um für die Sicke seinen feststehenden Befestigungsrand zu erhalten, benötigt der Lautsprecher seinen Lautsprecherkorb. Dieser Korb (Chassis), an dessen anderem Ende der Magnet befestigt ist, kann aus entsprechend stabil geformten Preßblech oder aus noch verwendungssteiferem Gußmaterial bestehen. Vor allem bei größeren, hochbelasteten Lautsprechern, wird zuweilen chassismäßig ein großer Aufwand betrieben, um den Lautsprecherkorb garantiert verwindungsfrei zu gestalten. Denn man sollte die auf den Korb einwirkenden Kräfte nicht unterschätzen, und selbstverständlich wirkt sich jegliche Verformung nachteilig auf die Übertragungsgüte des Lautsprechers aus.

Andererseits darf man annehmen, dass gerade spezifische Eigenheiten (z.B. Eigenresonanzen) bei manchen einfachen Preßbleck-Lautsprechern für einen beliebten “Sound” verantwortlich sind. Gerade bei Gitarren-Lautsprechern wird häufig eine traditionelle Bauweise angewendet, welche keineswegs alle modernen Möglichkeiten nutzt, um eine unverfärbte Wiedergabe zu erreichen. Die Beliebtheit solcher “Vintage”-Speaker spricht für sich. Bei der Übertragung tiefer Frequenzen, also besonders bei Instrumentenspeakern für Bass, ist allerdings ein aufwendiger, nach den physikalischen Möglichkeiten optimal gebauter Lautsprecher fraglos von Vorteil.

Höchtöner 

Je größer die Membranfläche, desto potenter ist ein Lautsprecher für die Abstrahlung tiefer Frequenzen. Bei den oberen Tonlagen ergebem sich aus einer großen Membran freilich auch Beeinträchtigungen. Zum einen hindert die unweigerlich größere Masse und die daraus resultierende Trägheit eine Großmembran daran, feinen Hochtonschwingungen präzise zu folgen. Und wenn der Durchmesser der Membran groß wird gegenüber der Wellenlänge eines abzustrahlenden Hochtonsignals, werden diese kurzweiligen Frequenzen zunehmend gebündelt abgestrahlt. Der Lautsprecher “beamt” dann, was soviel bedeutet, dass z.B. ein Lautsprecher mit 15” Membran-Durchmesser (38 cm) zwar gewisse Hochtonanteile noch in Achsrichtung abstrahlen kann, aber höchste Frequenzen schon wenig außerhalb der Ausrichtung kaum noch wahrnehmbar sind. Zumindest im Nahfeld muss man diese gebündelte Abstrahlung hoher Frequenzen als nachteilig einstufen, weil dann außerhalb der Speakerachse das Klangbild nicht mehr “stimmt”.

Kalotten-Hochtöner

Um solche Nachteile zu vermeiden, überträgt man die Abstrahlung der oberen Frequenzen einem separaten Hochtöner, dessen kleinere Membran weniger Trägheit aufweist und aufgrund des geringen Durchmessers auch höchste Frequenzen nicht so stark bündelt. Ein solcher Hochtöner ist im Prinzip genauso aufgebaut wie ein großer dynamischer Lautsprecher, nur eben in Miniatur. Damit der Mini-Lautsprecher nicht durch die tiefen Frequenzen (die übergroße Membranauslenkungen verursachen würden) zerstört werden kann, werden ihm über eine Frequenzweiche nur die hohen Frequenzlagen zugeführt und schädliche Bässe vorenthalten. Dynamische Hochtonlautsprecher gibt es mit Konusmembran oder mit halbkugeliger Kalottenmembran (engl. Dome Tweeter), die wiederum gewisse Vorteile bezüglich gleichmäßiger Schallabstrahlung in alle Richtungen aufweist. Bei der Hochton-Membran kann hier Papier, aber auch Gewebe- und Kunststoffmaterial eingesetzt werden, ebenso Aluminium oder Titan. Die Metallmembranen finden sich (wohl auch aus Gründen der Wärmeableitung) vor allem in geschlossenen Horn-Hochtönern, bei denen ein vorgesetzter Trichter die Schallausbeute deutlich erhöht. Der eigentliche Lautsprecher hinter dem Horntrichter nennt sich hier “Treiber” (engl. Driver), was auf seine Funktion als nicht separat nutzbares Antriebsaggregat einer Hornkonstruktion hindeutet. Mehr zum Hornprinzip im Kapitel “Lautsprechergehäuse”.

Selten findet man bei Instrumenten-Boxen eine Aufteilung in mehr als zwei Wege, also Bass- und Hochtonlautsprecher. Freilich ist es durchaus möglich, auch dem Mitteltonbereich einen besonders geeigneten Lautsprecher mittlerer Größe zuzuordnen, was dann zusammen mit Bass- und Hochton-Lautsprecher eine Dreiwege-Kombination ergibt.

Hochtonhorn

Piezoelektrische Lautsprecher

Kurz sei hier noch auf eine abweichendes Arbeitsprinzip für Hochtonlautsprecher hingewiesen, weil es vor allem wegen seiner Preisgünstigkeit doch einige Verbreitung in Musikerkreisen genießt. Ein dynamischer Lautsprecher besteht aus vielen Einzelteilen, die präzise gefertigt und passgenau zusammengesetzt werden müssen. Vieles davon entfällt beim piezoelektrischen Prinzip, weshalb ein Piezo-Hochtöner deutlich billiger hergestellt werden kann.

Der Piezo-Lautsprecher ist wiederum das Pendant zum Piezo-Tonabnehmer. Beim Piezo-Tonabnehmer erzeugt eine mechanische Verformung der piezo-elektrischen Keramikmasse eine Spannung, deren Frequenz und Stärke ein Abbild des ursprünglichen Tonsignals (Körperschwingung) bietet. Andersherum läßt sich die Piezokeramik zu Verformungen anregen, wenn ihr eine elektrische Spannung zugeführt wird. An der Basis einer schallabstrahlenden Membran sitzt beim Piezo-Lautsprecher also ein piezokeramisches Plättchen, welches durch die Ausgangsspannung unseres Verstärkers zu Verformungen angeregt wird. Durch diese Verformungen wird die Membran bewegt und eine Schallabstrahlung erzeugt – so einfach ist das. Freilich sind piezoelektrische Lautsprecher aus verschiedenen Gründen nur für die Abstrahlung hoher Frequenzen geeignet, und auch hier müssen Zugeständnisse an die Wiedergabequalität gemacht werden. Typisch für viele Piezo-Lautsprecher ist ein unlinearer Frequenzverlauf mit starken Überhöhungen und Einbrüchen in engen Frequenzbereichen, die für ein hartes und sprödes Klangbild verantwortlich sein können. Nichtsdestotrotz lassen sie sich durch geschickte Abstimmung im Verbund mit anderen Lautsprechern als brauchbare Hochtöner einsetzen, haben in jedem Fall den günstigen Preis und einen geringen Frequenzweichen-Aufwand auf ihrer Seite. Zur Steigerung der Schallausbeute werden Piezoelemente meist mit einem Horntrichter versehen.

Frequenzweichen

Eine Frequenzweiche dient dazu, den Hoch- und Tieftonlautsprechern bei Mehrwege-Anordnungen jeweils den Frequenzbereich zuzuordnen, den sie optimal verarbeiten können.

Ein sogenanntes Hochpass-Filter lässt nur hohe Frequenzen durchfließen und hält schädliche Bassfrequenzen von einem Hochtonlautsprecher fern. Ein Tiefpass-Filter ist das Gegenstück dazu und versorgt den Basslautsprecher mit tiefen Frequenzen, hält aber die höheren Frequenzen zurück. Bei Dreiwege-Systemen mit separatem Mitteltöner wird für den Mitteltonbereich ein Bandpass-Filter eingesetzt, welches sowohl zu tiefe wie auch zu hohe Frequenzen vom Mitteltöner fernhält und nur einen definierten Mitteltonbereich durchlässt. In aller Regel sind Mehrwegeboxen mit passiven Frequenzweichen ausgestattet, die ohne Stromversorgung arbeiten und passive Bauelemente wie Kondensatoren und Spulen („Drosseln“) enthalten. Die Filterfrequenzen („Trennfrequenzen“) sind dabei auf die Wiedergabebereiche der einzelnen Lautsprecher abgestimmt. Mitunter ist in eine solche Frequenz­weichenschaltung auch ein Pegelsteller, z. B. für den Hochtonpegel, integriert. Eine passive Frequenzweiche wird zwischen Endstufenausgang und Lautsprecher geschaltet.

Hochwertige Zweiwegebox mit Subwoofer

Anders bei „aktiven“ Frequenzweichen, deren prinzipielle Wirkungsweise der einer Verstärker-Klangregelung ähnelt. Diese Filter werden noch vor die Endstufe geschaltet, woraus sich natürlich ergibt, daß für die Versorgung der Lautsprecher mit verschiedenen Frequenzbereichen auch separate Endstufen verwendet werden müssen. Aktive Mehrwegesysteme sind in der PA-Technik verbreitet, aber bei der Instrumentenverstärkung selten. Eine Ausnahme bildet das „Biamping“ bei großen Bassanlagen. Hochwertige Bass-Vorstufen besitzen oft eine eingebaute Aktivweiche, die das Tonsignal bereits im Preamp in zwei Bereiche (meist mit variabler Trennfrequenz zw. 100 Hz und 1 kHz) aufteilt. An separaten Vorstufenausgängen (High und Low) lassen sich dann Tiefton- und Hochtonsignal getrennt abgreifen und separaten Endstufen zuführen. Beliebt ist beim Biamping eine Kombination von einem Fünfzehnzoll-Lautsprecher für die Bässe und einer 4× 10″-Box für Mitten und Höhen. Die gebräuchliche Trennfrequenz liegt hier bei 250 Hz; sie kann problemlos auch niedriger gewählt werden, da die 4× 10″-Box ja auch tiefste Frequenzen schadlos verarbeiten kann.

Bei passiven wie bei aktiven Frequenzweichen ist außer der Trennfrequenz noch die Flankensteilheit der Filter ein wichtiger Aspekt. Denn tatsächlich werden die Frequenzbereiche nicht abrupt und vollständig gegeneinander abgegrenzt, sondern die Filterwirkung setzt nur mehr oder weniger allmählich ein. Simpelste Passivweichen trennen sanft mit 6 dB/Okt. Steilheit, das heißt, dass Frequenzen, die eine Oktave von der eigentlichen Trennfrequenz entfernt liegen, um 6 dB abgeschwächt (= halbe Stärke) werden, bei einer Entfernung von 2 Oktaven zur Trennfrequenz beträgt die Dämpfung bereits 12 dB usw. Bei der Verwendung von empfindlichen Hochtönern und 6-dB-Filtern sollte deshalb die Trennfrequenz mindestens eine Oktave höher als mindestens zulässig gewählt werden, um Überlastungen durch zu starke Bassreste sicher auszu­schließen.

Beliebte Biamp-Kombination: 4 x 10” und 1 x 15”

Oder man wählt eine etwas aufwendigere Fre­quenz­weiche mit einer Flankensteilheit von 12 dB/Okt., was auch bei den meisten Boxenfabrikaten standardmäßig der Fall ist. Eine solche 12-dB-Weiche oder gar eine mit 18 oder 24 dB Flankensteilhheit schützt den empfindlichen Hochtöner um so besser, ist aber auch aufwendiger und dadurch teurer. Vorteil einer sehr steilflankigen Frequenzweiche ist noch, daß der Wiedergabebereich eines Hochtöners nach unten hin voll ausgeschöpft werden kann, ohne die Betriebssicherheit zu mindern.

Gehäusearten

Die letztendlichen Wiedergabeeigenschaften eines Lautsprechers werden, vor allem im Baßbereich, sehr stark durch das verwendete Gehäuse (engl. Box) bestimmt. Während man in der Anfangszeit der Lautsprecher-Wiedergabe ein schönes Gehäuse vor allem als Zierrat und optische Aufwertung angesehen hatte (was wegen der schlechten Radio-Empfangsqualität und der vorwiegenden Benutzung für Sprachwiedergabe kein Problem darstellte), führten gesteigerte Ansprüche an Frequenzumfang und Verfärbungsfreiheit zu immer ausgefeilteren Gehäusekonstruktionen. Wissenschaftlich wurden die Zusammenhänge zwischen Lautsprecher- und Gehäusedaten und dem Wiedergabeergebnis wohl schon früh erfaßt, aber noch in den Fünfziger Jahren sahen viele industrielle Boxenhersteller das Gehäuse zuerst als schöne Verpackung für einen Lautsprecher an, ohne allzuviele Bemühungen auf die Abstimmung zwischen Lautsprecher und Gehäuse zu verwenden.

Dabei kann ganz ohne Gehäuse zumindest die Tiefenwiedergabe nicht funktionieren. Da der Lautsprecher ja die Schallabstrahlung durch Druckschwankungen erzeugt, muss dafür gesorgt werden, dass die Luft, die von der Membran gerade nach vorne geschoben wird (Druckmaximum), nicht gleich um den Lautsprecherrand herum nach hinten strömt, wo ja gleichzeitig durch die Vorwärtsbewegung der Membran ein Druckminimum erzeugt wird. Wenn dies eintritt, spricht man von einem „akustischen Kurzschluss“; da der Lautsprecher dann keine wirksamen Druckschwankungen erzeugt, kann er auch keinen Schall abstrahlen. Dieser Kurzschluss-Effekt ist freilich abhängig von der Frequenz und trifft nur für solche Frequenzen zu, deren Wellenlänge groß gegenüber der Wegstrecke zwischen Vorder- und Rückseite der Membran ist. In der Praxis wird dadurch also vornehmlich die Basswiedergabe beeinträchtigt.

Die einfachste Lösung, den akustischen Kurzschluss zu vermeiden, liegt darin, den Weg zwischen Vorder- und Rückseite der Lautsprechermembran zu verlängern, was man z. B. dadurch erreicht, dass man den Speaker auf einem Brett mit Schallöffnung (Schallwand) montiert. Je nach Größe der Schallwand können nun auch tiefere Frequenzlagen wirksam abgestrahlt werden. Freilich wird eine einfache Schallwand schnell unhandlich groß, wenn wirklich tiefe Frequenzen wiedergegeben werden sollen. Bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von ca. 340 m/s in der Luft besitzt eine Frequenz von 100 Hz eine Wellenänge von 340 : 100 = 3,4 Meter. Ein Druckmaximum dieser Schwingung liegt bei 1/4 dieser Wellenlänge (= 85 cm), und mindestens doppelt so weit müsste der Weg zwischen Lautsprecher und Schallwandrand sein, damit die Frequenz von 100 Hz einigermaßen pegelstark abgestrahlt werden kann, was natürlich unpraktikabel ist.

Combo von hinten

Offenes Gehäuse

Die Abmessungen der Schallwand lassen sich reduzieren, wenn sie nach hinten abgewinkelt wird, so daß ein rückseitig offener Kasten entsteht. So läßt sich bei einigermaßen handlichen Abmessungen eine hinreichende Tiefenwiedergabe erreichen, wobei natürlich im Tiefbaßbereich Kompromisse gemacht werden müssen. Für Gitarren-Kofferverstärker gilt genau dieses Bauprinzip des „offenen Gehäuses“, und hier stört es auch nicht weiter, daß die tiefsten Bässe nicht mit vollem Pegel abgestrahlt werden können. Gewisse Frequenzen werden dabei sogar verstärkt abgestrahlt, weil hier Gehäuseresonanzen auftreten, die abhängig von der Tiefe des Kastens sind. Nimmt man eine Bautiefe von 35 cm an, so ist z. B. mit einer verstärkten Abstrahlung einer Frequenz von ca. 250 Hz zu rechnen, was dem Gitarrenton ein warmes Tiefmittenfundament verleiht. Je tiefer das offene Gehäuse gebaut ist, desto ausgeprägter färben die Hohlraumresonanzen die Wiedergabe und desto tiefer liegt der verstärkte Frequenzbereich. Für eine neutrale Wiedergabe ist ein rückseitig offenes Gehäuse nicht geeignet, aber dies ist ja auch beim Gitarreneinsatz gar nicht gefragt. Der charaktervolle Eigenklang einer solchen offenen Box kann zur Klangschöpfung genutzt werden.

Geschlossene Gehäuse sind für Gitarre üblich

Geschlossenes Gehäuse

Für Bass gelten andere Anforderungen, und hier kommt es natürlich besonders auf die kräftige Abstrahlung der tiefsten Frequenzlagen an. Ein rundum luftdicht geschlossenes Gehäuse kann man auch als „unendliche Schallwand“ ansehen, weil hier ja der Druckausgleich zwischen Lautsprecher-Vorderseite und -Rückseite durch da geschlossene Gehäuse vermieden wird, der Schallweg quasi unendlich weit ist. Freilich muss das geschlossene Gehäuse eine gewisse Größe besitzen, damit tiefste Frequenzen pegelstark abgestrahlt werden können. Zwar können hier die Bässe nicht durch akustischen Kurzschluss beeinträchtigt werden, statt dessen wirkt aber die im Gehäuse eingeschlossene Luftmasse hemmend auf starke Membranbewegungen des Lautsprechers, wie sie ja besonders im untersten Frequenzbereich auftreten. Das liegt an der begrenzten Nachgiebigkeit der eingeschlossenen Luftmasse, die wiederum vom eingeschlossenen Volumen abhängig ist. Bei einer geschlossenen Box gilt also: Je größer, desto tiefer reicht die Wiedergabe hinab. Für eine satte Basswiedergabe, z. B. mit einem 15″-Speaker, muss man hier ein Nettovolumen (Innenvolumen) von etwa 100 bis 200 Litern kalkulieren.

Bassreflexgehäuse

Deutlich wirkungsvoller in der Tiefenreproduktion verhalten sich sogenannte Baßreflex-Boxen, und das sogar bei reduzierten Abmessungen. Hier macht man sich auch die rückseitig vom Lautsprecher abgestrahlten Schallanteile zu nutze, wobei allerdings das Problem gelöst werden muß, diese Anteile phasenrichtig mit dem nach vorne abgestrahlten Schall zu addieren. Dabei nutzt man die Trägheit des eingeschlossenen Luftvolumens aus, um den rückwärtig abgestrahlten Schall zeitlich so zu verzögern, daß er aus einer zusätzlichen Gehäuseöffnung (Baßreflextunnel) phasenrichtig austritt. Die phasenrichtige Abstrahlung durch die Baßreflexöffnung läßt sich aber nur für einen engen Frequenzbereich realisieren, und nun ist es eine Frage der sorgfältigen Abstimmung, daß die Baßreflexbox genau die Baßrequenzen verstärkt, bei denen die direkte Wiedergabe des Lautsprechers im Pegel abfällt.

Entscheidend ist hier die Nachgiebigkeit des Luftvolumens im Bassreflextunnel, welche auf Lautsprecherdaten und Gehäusevolumen abgestimmt werden muss. Wenn alle Lautsprecher- und Gehäusedaten bekannt sind, lässt sich die Bassreflexabstimmung rechnerisch bewältigen, wobei man aber mit einem komplizierten Wust an Formeln Bekanntschaft macht. Für den mathematischen Laien dürfte die Methode des „trial and error“ angenehmer sein, wobei man versuchsweise verschieden lange Bassreflextunnel verwendet, beispielsweise aus Kunststoff- oder Papprohr. Auch messtechnisch lässt sich die richtige Tunnel-Dimensionierung ermitteln, wofür man neben einem Wechselspannungs-Voltmeter einen stufenlos durchstimmbaren Tongenerator benötigt, der auch bis in tiefste Frequenzen hinabreicht.

Ein korrekt abgestimmtes Bassreflex-Gehäuse bietet den Vorteil, dass sich die Wiedergabe gegenüber einer entsprechenden geschlossenen Box zu den tiefen Frequenzen hin wirkungsvoll ausdehnen lässt, oder aber dass das Boxenvolumen bei gleichen Wiedergabeleistungen kleiner als bei der geschlossenen Box gewählt werden kann. Bei Instrumentenboxen für Bass hat sich das Bassreflexsystem wegen dieser Vorteile weitestgehend durchgesetzt, geschlossene Gehäuse findet man hingegen nur noch selten.

Horngehäuse

Jeder, der einmal im Freien einer weit entfernten Person etwas zurufen wollte, hat schon Bekanntschaft mit dem Hornprinzip gemacht. Um die Lautstärke der Stimme zu erhöhen, legt man die Hände um den Mund, so daß sich ein Trichter bildet, der erfahrungsgemäß ja tatsächlich unsere Ruflautstärke erhöht. Auch der Trichter des Grammophons diente einem solchen Zweck, hier wurde die schwache Schallabstrahlung der kleinen Tonabnehmermembran durch den Horntrichter auf ordentliche Raumlautstärke verstärkt.

Schallweg durch ein Falthorngehäuse

Jede Art von Trichter, die man vor einen Lautsprecher montiert, vermag dessen Schallabstrahlung zu verstärken. Der Wirkungsgrad der Lautsprecher-Abstrahlung hängt nämlich auch damit zusammen, welchen Widerstand die umgebende Luft der schwingenden Lautsprechermembran entgegensetzt – je höher dieser Luftwiderstand ist, desto größer der Wirkungsgrad der Schallabstrahlung. Durch den Trichter vor der Lautsprechermembran kann die dort vorhandene Luftmasse nicht mehr zur Seite entweichen, wenn sich die Membran nach vorne bewegt, vielmehr wird sie beschleunigt nach vorne aus dem Horn herausgedrückt, was man als „Geschwindigkeitstransformation“ bezeichnet. Von allen Gehäusearten liefert das Hornprinzip die günstigste Ausbeute des Lautsprecherschalls, besitzt aufgrund der günstigen Ankopplung der Lautsprechermembran an das umgebende Luftvolumen den höchsten Wirkungsgrad.

Allerdings erreicht ein wirkungsvolles Horn für die Wiedergabe tiefster Frequenzen schnell abenteuerliche Abmessungen, Hornlängen von einigen Metern sind für echte Basswiedergabe erforderlich. In der Praxis löst man das Raumproblem, indem man den Horngang innerhalb eines Gehäuses faltet, und so lassen sich auch in einem relativ kompakten Gehäuse 2 Meter Hornlänge verwirklichen. Je nach Form des Horntrichters, ob konisch, hyperbolisch oder exponential, stehen verschiedene Wiedergabevorteile zur Verfügung, vor allem der geringe Klirrfaktor (Verzerrungsfreiheit) gilt bei Hornlautsprechern als bemerkenswert. Am verbreitetsten sind Exonentialhörner, auch kurz als „Expoboxen“ bezeichnet.

Der Bau eines Falthorn-Gehäuses ist freilich sehr aufwendig und anspruchsvoll, weshalb sich das Hornprinzip zwar bei professionellen Großanlagen (PA-Systeme) durchsetzen konnte, nicht aber bei Musiker-Boxen. Mit einer Ausnahme, nämlich beim Hochtöner. Je höher die Frequenz, desto kürzer und handlicher wird eine Hornkonstruktion, und bei einem Hochtonlautsprecher, der erst ab ca. 3 kHz angekoppelt wird, misst die Hornlänge gerade noch einige Zentimeter. Dadurch lassen sich kleine Lautsprecher-Treiber, die eigentlich zu leise für das Zusammenwirken mit größeren Basslautsprechern wären, im Pegel angleichen. Der gesunde Wirkungsgrad eines Horn-Hochtöners bietet sogar soviel Pegelreserve, dass an einem vorhandenen Pegelsteller eine gewisse Abdämpfung eingestellt werden kann. Die allermeisten modernen Bass-Boxen sind als Zweiwege-Systeme mit einem Horn-Hochtöner (Tweeter) ausgerüstet, aber Mittelton- oder Bass-Hörner sind, außer für den PA-Einsatz, bei Musikern als Instrumentenbox nur ausgesprochen selten im Einsatz, zumal sie auch als problematischer im Zusammenwirken mit der Raumakustik gelten.

 

Kurzhorn als Bassbox

Lautsprecher- und Boxendaten

Wiedergabebereich und Frequenzgang

Oftmals wird, auch bei erfahrenen Herstellern, der Wiedergabe- oder Übertragungsbereich einer Lautsprecherbox fälschlich unter der Rubrik „Frequenzgang“ aufgeführt. Der Wiedergabebereich kennzeichnet den Frequenzumfang, den ein Lautsprecher bzw. eine Box insgesamt abzustrahlen vermag, also beispielsweise 50 Hz bis 12 kHz. Bei der Angabe des Frequenzgangs geht es hingegen um die Pegelabweichungen von der idealen, völlig gleichmäßigen Wiedergabe innerhalb des Übertragungsbereichs, wobei als Relativmaß die Dezibel-Skala Verwendung findet. Die Angabe „50 Hz – 12 kHz, +3/–6 dB“ würde besagen, daß innerhalb des Wiedergabebereichs von 50 Hz bis 12 kHz Pegelspitzen bis zu 3 dB und Einbrüche bis zu 6 dB festzustellen sind, die vom Normalpegel abweichen.

Für typische Gitarren-Lautsprecher, bei denen in aller Regel ein charaktervoller Eigensound erwünscht ist, dürfte ein möglichst weiter Wiedergabebereich und ein geradliniger, gleichmäßiger Frequenzverlauf keine entscheidende Rolle spielen, hier zählt zuerst das subjektive Klangempfinden. Das bedeutet nicht, daß solche Angaben hier völlig wertlos sind, schließlich bieten sie dennoch eine Orientierungshilfe, vor allem, wenn der Frequenzgang in einem Diagramm für den gesamten Wiedergabebereich dargestellt ist.

Sehr strenge Anforderungen an einen linearen Frequenzverlauf und einen weiten Wiedergabebereich sind hingegen an Studio-Abhörlautsprecher zu stellen, schließlich soll damit ja eine Aufnahme neutral beurteilt werden und nicht der „schöne“ Klang der Lautsprecherbox. Auch für hochwertige Bassboxen darf man einigermaßen günstige, gleichmäßige Werte fordern, vor allem in den mittleren und untersten Frequenzlagen, was aber nicht so kritisch wie bei Studiomonitoren ist, weil eben eine gute Instrumentalbox auch durch einen von der Ideallinie abweichenden Eigenklang überzeugen kann.

Schalldruck

Bei der Schalldruckangabe handelt es sich um einen außerordentlich wichtigen Wert, weil sich hier ablesen läßt, wie günstig die investierte Verstärkerleistung in Schall umgewandelt wird. Der Kennschalldruck einer Lautsprecherbox wird nach einem standardisierten Meßverfahren ermittelt, wobei die Box mit einer Leistung von einem Watt betönt und der entstehende Schalldruck in einer Entfernung von 1 Meter vom Speaker gemessen wird. Als Relativmaß für den Kennschalldruck wird wieder das Dezibel verwendet, mit dem Zusatz der Meßbedingungen, also z. B. Schalldruck 98 dB (1 W/1 m).

Vergleicht man die Schalldruckwerte verschiedener Lautsprecherboxen, so wird man kräftige Unterschiede feststellen, zumal es sich bei einer Zunahme um 6 dB bereits um eine Verdoppelung des Schalldrucks handelt. Eine schlappe Box mit einem Kennschalldruck von knapp 90 dB benötigt zur Erzeugung des gleichen Schalldrucks wie eine gesunde 102-dB-Box ein Vielfaches (4×) an Verstärkerleistung!

Frequenzkurven

Belastbarkeit

Die elektrische Belastbarkeit ist die Angabe, auf die viele Konsumenten am meisten achten, dabei sagt gerade dieser Wert recht wenig über die Wiedergabeeigenschaften eines Lautsprechers aus. Richtig ist es, die Belastbarkeit einer Lautsprecherbox mindestens so hoch zu wählen, wie die Wattangabe des verwendeten Verstärkers angibt. Die Lautsprecherbox für einen 200-Watt-Verstärker sollte also mindestens diese 200 Watt vertragen, damit sie nicht bei voller Aussteuerung des Verstärkers beschädigt werden kann. Gewisse Sicherheitsreserven können hier auch nicht schaden und kommen der Betriebssicherheit zugute. Vor allem bei Bassanlagen, wo mit relativ dauerhafter Tieftonmodulation zu rechnen ist, sollte man ggf. die Belastbarkeit der Lautsprecher höher wählen als die Wattleistung des Verstärkers vorgibt.

Freilich muss man die Belastbarkeit auch in Zusammenhang mit dem Kennschalldruck der Box betrachten. Eine Lautsprecherbox mit hohem Schalldruck benötigt weniger Verstärkerleistung, um einen hohen Lautstärkepegel zu erzeugen, und daher kommt man hier durchaus auch mit einer geringeren Belastbarkeit aus. Andersherum muss man in einen schalldruckschwachen Lautsprecher unter Umständen viel mehr Verstärkerleistung “hineinpumpen”, um die gewünschte Lautstärke zu erzielen, hier ist also eine hohe elektrische Belastbarkeit wichtiger!

Bei der Zusammenschaltung mehrerer Lautsprecher addieren sich deren Belastbarkeit unabhängig davon, ob die Speaker parallel oder in Serie geschaltet werden.

Impedanz

Bei der Impedanz handelt es sich um den Wechselstromwiderstand des Lautsprechers, und dieser Wert ist wichtig für optimale Anpassung und Leistungsausbeute im Zusammenwirken mit der Verstärker-Endstufe. Bei Transistorendstufen wird die zulässige Minimalimpedanz der Lautsprecher meist mit 4 Ohm angegeben, und genau bei diesem Wert liefert der Verstärker auch seine volle Nennleistung. Niedrigere Impedanzwerte können durch thermische Überlastung zur Zerstörung der Transistorenendstufe führen, bei höheren Impedanzwerten des Lautsprechers kann hingegen nicht die volle Ausgangsleistung des Verstärkers ausgenutzt werden.

Unproblematischer sind da oft Röhrenverstärker, wenn sie einen Umschalter für die Lautsprecherimpedanz besitzen. Hier lässt sich der Verstärker dann optimal auf die vorhandene Boxenimpedanz einstellen, so dass stets das volle Leistungspotential zur Verfügung steht.

Der Impedanzwert spielt auch bei der Zusammenschaltung mehrerer Lautsprecher bzw. Boxen eine wichtige Rolle. Bei der Parallelschaltung zweier gleicher Lautsprecher halbiert sich der Impedanzwert, z.B. ergeben zwei parallel verdrahtete 8-Ohm-Speaker eine Gesamtimpedanz von 4 Ohm. Verbreitet ist bei Vierer-Kombinationen (z.B. 4x 12”) eine kombinierte Serien- und Parallelschaltung; jeweils zwei Lautsprecher werden in Serie geschaltet (8 Ohm + 8 Ohm parallel = 8 Ohm). So erhält man bei einer vierfachen BEstückung wieder den Impedanzwert eines einzelnen Lautsprechers.

Membrandurchmesser

Zusammen sind wir groß: 4x 10 ”

Einleuchtenderweise hängen die Wiedergabeeigenschaften eines Lautsprechers von seiner Größe ab. Um tiefe Frequenzen lautstark abzustrahlen, sind ungleich größere Membranbewegungen notwendig als für höhere Frequenzen. Aber je größer die vorhandene Membranfläche ist, desto geringer können wieder die Membranbewegungen bei gleicher Schalleistung ausfallen, was mit verminderten Verzerrungen einhergeht. Große Lautsprecher sind günstig für die Basswiedergabe, ersatzweise können auch mehrere kleinere Speaker zum Einsatz kommen; letztendlich geht es um die zur Verfügung stehende Gesamt-Membranfläche.

Wenn es um die Wiedergabe höherer Frequenzen geht, haben kleinere Speaker wegen geringerer Trägheit und geringerer Richtwirkung Vorteile. Zehnzöller reagieren sicherlich schneller und trägheitsärmer als Fünfzehner, und für einen detailreichen, impulsstarken (Slap-)Sound wählen gerade Bassisten gerne diese Speakergröße. Freilich braucht man dann eine ausreichende Anzahl dieser Lautsprecher, damit das Bässefundament dabei auch angemessen zur Geltung kommt. 4 x 10”- oder 8 x 10”-Kombinationen sind neben Fünzehnzoll-Boxen bei Bassisten am weitesten verbreitet. Sogar die kleinen 8”-Lautsprecher sind für Bass geeignet, sofern man nur eine ausreichende Anzahl davon in eine Bassreflexbox einbaut.

Für Gitarre genießen hart eingespannte Zwölfzoll-Lautsprecher erstaunlicherweise die größte Beliebtheit, weil hier offenbar ein günstiges Verhältnis zwischen sattem Klang und charaktervoller Präsenzwirkung vorliegt. Detailfeiner und spritziger agieren aber sicherlich Zehnzöller. Bei den Gitarristen steht hier wiederum der Eigencharakter der Lautsprecher im Vordergrund, “optimale” Wiedergabe im Sinne von unverfälschter, neutraler Übertragung ist hier nur ausnahmsweise gefragt. So empfinden etliche Gitarristen die Wiedergabe einer theoretisch geeigneteren 10”- oder 8”-Lautsprecherkombination als zu spitz und kühl, bleiben daher beim altbewährten Zwölfzoller, der durch seine mittenstarke Art gleichzeitig gutmütiger und prägnanter rüberkommt. Jazz-Gitarristen verwenden oftmals 15”-Lautsprecher, um ein weicheres, bassiges Klangbild zu erhalten.

Gehäuseausführung

Solide, roadfeste Bauweise in Kompaktform

Nicht nur das GEhäuseprinzip wirkt auf die Wiedergabeeigenschaften der Box ein, auch deren bauliche Ausführung ist für die letztendliche Übertragungsqualität mitentscheidend. Zu dünne Gehäusewände können zu Eigenschwingungen angeregt werden, die den Sound der Box hörbar färben, und dass klappernde Griffe und rasselnde Schutzgitter ein Ärgernis ersten Ranges sind, braucht wohl nicht diskutiert zu werden. Eine solide und schwingungsarme Gehäuseausführung ist vor allem für Bassboxen wichtig, weil die tiefen Frequenzen das Gehäuse besonders stark in Schwingung versetzen können und sich bauliche Schwächen daher schneller und deutlicher bemerkbar machen. Mehrlagiges Sperrholz, Span- oder MDF-Platten kommen normalerweise beim Gehäusebau zum Einsatz, wobei größere Wandflächen von innen durch Versteifungsleisten gegen Schwingungen stabilisiert werden. Ausgesprochen wirkungsvoll ist auch eine Auftrennung des Gehäusevolumens in mehrere Kammern, was sich z.B. bei einer 4 x 10”-Box anbietet. Dabei ist weniger die Unterteilung in Einzelkammern für die Speaker der Vorteil, sondern eher der versteifende Effekt für das Gesamtgehäuse.

Auch der äußere Teppichbezug trägt zur Dämpfung bei

Dass die Gehäusewände eine gewisse Mindestdicke aufweisen sollten, liegt auf der Hand. Allerdings spielt bei größeren Boxenformaten natürlich auch die Transportabilität eine Rolle, und so müssen wegen des Gewichts gewissen Kompromisse eingegangen werden. Gerade bei den größten Ausführungsformen (z.B. 8 x 10”) ergibt sich ein Dilemma: Allein schon wegen ihres Gewichts und der zum Transport erforderlichen Festigkeit müssen die Gehäusewände besonders stabil und dick ausgeführt werden, was dann wiederum das Gewicht zusätzlich erhöht.

Günstiger sind die Verhältnisse bei kleineren Gehäusen, denn was wenig wiegt, braucht auch nicht so stabil gebaut zu sein, weil geringere mechanische Kräfte zur Wirkung kommen. Gegebenenfalls kann man ja auch eine Großanlage aus vielen kleinen Komponenten zusammensetzen. Bei sehr dünnen Gehäusewänden von kleinen Leichtbau-Boxen läßt sich störendes Mitschwingen durch eine zweilagige Konstruktion eliminieren, beispielsweise durch innen aufgeleimte Dämmplatten, die zudem auch wenig wiegen. Zumindest die störenden Obertöne der Gehäuseschwingung werden dadurch geschluckt.

Hilfreich beim Unterdrücken von Wandschwingungen ist auch ein äußerer Teppichbezug, sofern er ganzflächig aufgeklebt ist. Eine solche Box im Teppich-Design ist nicht nur unempfindlicher gegenüber kleinen Blessuren, die beim Transport unvermeidlich sind, sondern auch besser gegen Gehäuseschwingungen gefeit.

Eine Box ist nun mal eine Kiste, und vor allem bei geschlossenen Gehäusen und bei Bassreflexsystemen hört man zuweilen auch einen unerwünschten Kistenklang heraus. Abhängig von den Gehäusedimensionen können sich bei bestimmten Frequenzen im Gehäuseinneren “stehende Wellen” ausbreiten, das sind Töne, die von den Gehäusewänden reflektiert werden und bei passender Wellenlänge im Boxeninneren immer wieder hin- und hergeworfen werden. Um solche Erscheinungen zu dämpfen, werden die Gehäusewände innen teilweise mit einer mehr oder weniger dicken Schicht eines porösen Dämmaterials verkleidet, manche geschlossene Box ist sogar ganz mit Dämmstoff (locker) ausgefüllt. Ungedämpfte Innenräume neigen zu bollerigen Bässen und verschlechtern das Ein- und Ausschwingverhalten der Box. Auch ein hohlmittiger Kistenklang im Mittenbereich liegt an fehlender Innendämpfung. Freilich wird besonders bei preiswerten Boxen gerne der Dämmstoff ganz eingespart, was dann zwar einen starken Eigenklang ergibt, aber die Box irgendwie auch lauter wirken lässt. Bei Bassreflexboxen sollte man den Einsatz von Dämstoffen (z.B. Wolle, Polsterwatte) aber auf das Nötigste beschränken; eine überdämpfte Box klingt nämlich wiederum flau und impulsschwach.

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