Wie funktioniert ein Lautsprecher?

Dem Lautsprecher kommt eine tragende Rolle innerhalb einer Stereo- oder Mehrkanal-Kette zu, da er die Aufgabe hat, elektrische Energie in akustische Energie umzuwandeln. Darum werden Lautsprecher auch „Schallwandler“ genannt.

Lautsprecher gibt es in schier unendlichen Varianten, sogar mit eingebautem Vor- und Endverstärker (aktive Lautsprecher). Doch wir wenden uns in diesem Special zunächst den „Basics“ zu: Wie schafft es der Lautsprecher, aus den eingehenden elektrischen Signalen akustische Signale zu generieren, die wir Menschen wahrnehmen können?

Zunächst kann man den eigentlichen Zweck eines Lautsprechers relativ einfach erklären, denn er agiert als ein sogenanntes „mechanisches System“, das für eine Umwandlung oder Transformation von elektrischer Energie in Schallenergie, die sich durch Schallwellen ausbreitet, zuständig ist. Um diese Schallwellen zu erzeugen, versetzt der Lautsprecher die ihn umgebende Luft in Schwingungen, diese Schwingungen erzeugen dann die bereits erwähnten Schallwellen. Die Schallwellen werden dann vom Hörer, beziehungsweise seinem Gehör, empfangen. So besser der Lautsprecher arbeitet, umso präziser erfolgt die Umwandlung eines elektrischen Signals in ein akustisches.

Schon mehrfach fiel der Begriff „Schallwelle“. Aber was sind überhaupt „Schall“ und „Schallwellen“? Akustische Schwingungen bezeichnet man in der Physik als „Schall“, sie werden in der Einheit „Hertz“ (Hz) in Schwingungen pro Sekunde gemessen, und diese Schwingungen breiten sich wellenförmig aus. Natürlich kann das menschliche Gehör nicht alle Frequenzen wahrnehmen. Extrem tiefe Frequenzen werden ebenso wenig gehört wie extrem hohe. Man erinnert sich vielleicht an Hörtests beim Ohrenarzt: Plötzlich beginnt man ab einer bestimmten Frequenz, einen tiefen, subtilen Ton zu hören. Auf der anderen Seite setzt plötzlich ein meist als unangenehm empfundenes, hochfrequentes Pfeifen ein, wenn das Gehör im Hochfrequenzbereich beginnt, zu arbeiten.

Ein gerade geborenes Baby kann Frequenzen von 20 Hz bis 20 kHz hören. Aber die Qualität des Gehörs nimmt mit fortschreitendem Alter ab. Wie drastisch diese Abnahme ist, hängt vom individuellen Menschen und auch von dessen Lebensweise ab. Wer sich beruflich oder privat häufig in einer sehr lauten Umgebung befindet (z.B. Arbeit auf der Baustelle, auf dem Flughafen oder in der Disco), hat mehr Probleme mit dem Gehör als andere.

Vergleichen wir uns Menschen mit Tieren, so arbeitet das Gehör verschiedener Tierarten anders als unseres. Diese Tiere sind in der Lage, tiefere und deutlich höhere Frequenzen wahrzunehmen. Generell gilt: Frequenzen über 20.000 Hz werden als Ultraschall, Frequenzen unter 20 Hz als Infraschall bezeichnet. Tiefe Töne  finden im Frequenzbereich zwischen 20–200 Hz statt, hochfrequenter Schall (hohe Töne, z. B von verschiedenen Musikinstrumenten) bei ca. 2.000 bis 20.000 Hz (2 kHz–20 kHz, Kilohertz). Der besonders wichtige Mitteltonbereich liegt dazwischen, in diesem Bereich reagiert das menschliche Gehör besonders empfindlich.Und das nicht ohne Grund: Im „Präsenztonbereich“ findet all das statt, was man akustisch nicht verpassen sollte, wie Gespräche, Durchsagen auf dem Bahnhof etc. 

Wie bereits eingangs erwähnt, ist er für die Wandlung von elektrischen Schwingungen in akustische, für uns Menschen wahrnehmbare Schwingungen zuständig. Bekommt der Lautsprecher ein elektrisches Audiosignal angeliefert, wandert es in die Schwingspule. Diese ist bei sehr belastbaren, teuren Lautsprechern besonders massiv ausgeführt, damit hohe Ströme problemlos gehandhabt werden können. Die Schwungspule ihrerseits sitzt in einem Magneten, der, je nach Frequenzbereich, unterschiedlich groß dimensioniert ist. Weil der Bassbereich am meisten Leistung benötigt, sind hier die Magnete am größten. Die Schwingspule ist auch an der Lautsprecher-Membran befestigt. Die Magnetfelder der Schwingspule und des Magneten beeinflussen sich gegenseitig. Folge: Die Membran des Lautsprechers wird im vom elektrischen Signal vorgegebenen Takt bewegt. Dadurch wird die Luft in Schwingungen versetzt, was das Trommelfell unseres Gehörs als Musik wahrnimmt.

1. Gehäuse 2. Gummisicke 3. Chassis 4. Membran 5. Zentriermembran 6. Kalotte 

7. Zuleitung 8. Elektrischer Zugang 9. Schwingspule 10. Fester Magnet

Geschlossene, Bassreflex-, Transmissionline- sind wohl die bekanntesten Gehäusebauformen für Lautsprecher. Jeder Bautyp bringt seine Vorteile und Nachteile mit sich und beeinflusst das Klangbild auf individuelle Weise.

Die Membran in einem Lautsprecher wird, wie bereits oben erklärt, durch elektrische Impulse in Bewegung gesetzt. Durch die Schwingung der Luft wird der Ton nach außen gegeben. Bei diesem Prozess wird jedoch auch immer automatisch ein rückwärtiger Schall erzeugt, der normalerweise ins Gehäuse abgegeben wird. Diese Schallkraft kann man aber durchaus nutzen. Für eine insgesamt runde und klare Klangabbildung wurden offene Bauarten ins Leben gerufen, wie sie z.B. im Bassreflex- oder Transmissionline-Design umgesetzt wurden.

Geschlossene Lautsprecher verfügen, im Gegensatz zu den anderen Bauformen, über keine Öffnung im Gehäuse, wodurch der rückwärtig abgegebene Schall der Chassis nicht genutzt wird und "verborgen" bleibt. Der Vorteil geschlossener Boxen ist allerdings, dass sie innerhalb einer Anlage klanglich leichter abzustimmen sind. Ein gutes Beispiel für einen geschlossenen High-End Standlautsprecher ist die Quadral Aurum Gamma.

Lautsprecher mit einem Transmissionline-Gehäuse, verfügen über einen Kanal, dessen Länge individuell berechnet wird - abhängig von der tiefsten abzugebenden Frequenz. Dieses Design bewirkt, dass Rückkopplungen und Resonanzen im Gehäuse auf ein Minimum reduziert werden. Außerdem verleiht diese Technik kleinen Boxen im Tieftonbereich eine unglaublich verstärkende Wirkung. Diese doch recht komplizierte Bauart findet man zum Beispiel beim T+A Criterion S2200 CTL.

Um in hohen Klangbereichen das komplette Potential aus den Schallwandlern zu holen, werden von Hersteller zu Hersteller verschiedene Hochtonmodule mit unterschiedlichsten Materialien und Technologien verwendet. Meist präferieren die Hersteller ein bestimmtes Hochtöner-Design. Der Hersteller Dali beispielsweise stattet seine  Lautsprecher häufig mit Bändchenhochtönern aus, was inzwischen schon zum Erkennungsmerkmal von DALI's High-End Lautsprechern wurde.

Bei der klassischen und meist verwendeten Hochtonkalotte sitzt die Schwingspule am Außenrand der Membran und verfügt, durch ihre konvexe Wölbung, über einen breiten Abstrahlwinkel. Für hohe Töne ein großer Vorteil, da die Wellenlänge im hohen Klangbereich sehr kurz ist.

Bei der Bauform von elektromagnetischen Hochtönern (Bändchenhochtöner) fungiert die Membran - bedingt durch ihre elektrische Leitfähigkeit - gleichzeitig als Schwingspule. Eine sehr dünne, gefaltete Metallfolie liegt hierbei zwischen zwei Magneten und wird bei Impulsen in Bewegung gesetzt. Durch die Leichtigkeit der Membranfolie, ist das Impulsverhalten besser, was einen klareren und präziseren Ton erzeugt.

Mehrweg-Systeme sind im Falle einer Zweiwege-Konstruktion  mit einem Hochtonchassis und einem Tief-/Mitteltöner bestückt. Eine so genannte Frequenzweiche trennt die Frequenzen auf und weist daher jedem Chassis den optimalen Arbeitsbereich zu. Dreiwege-Lautsprecher haben separate Chassis für Hoch-, Mittel- und Tieftonbereich.

Das hat gute Gründe. Für die Verwendung mehrerer Chassis in einem Lautsprecher spricht die möglichst gute Schallverteilung über das gesamte darstellbare Frequenzspektrum. Der Schall wird bei höheren Frequenzen stärker gerichtet, weshalb Lautsprecherchassis benötigt werden, die an den jeweiligen Frequenzbereich angepasst sind. Der Schall wird durch spezielle, für den jeweiligen Frequenzbereich optimierte Chassis gleichmäßiger und auch präziser verteilt. Wichtig ist auch ein perfekter Übergang zwischen den einzelnen Frequenzbereichen. Diesen kann man durch eine hochwertige Frequenzweiche und exzellent aneinander angepasste Chassis erreichen.

Hohe Töne mit kleinen Wellenlängen sind stark gerichtet, während tiefe Töne (niedrige Frequenzen) überdurchschnittlich große Wellenlängen haben, die sich leicht durch verschiedene Materialien bewegen. Aus diesem Grund sind die Bässe aus der Nachbarwohnung gut zu hören, die hohen Töne jedoch nicht. Hohe Töne, besonders dann, wenn es kurz und knapp ausfallen, erfordern eine extrem schnelle Reaktion des Chassis. Darum z.B. verbauen manche Hersteller ultraleichte, auf kleinste Impulse sofort reagierende, extrem aufwändig zu fertigende Bändchenhochöner (Air-Motion-Transformer, AMT). Basschassis hingegen sind größer, wobei man zu große Basschassis wegen der Trägheit bei Bassimpulsen öfters nicht verwendet, sondern dann besser mehrere kleinere Bass-Membrane als Doppelbass- oder Triplebass-System untereinander anordnet.

Wer den Klang seiner High-End-Lautsprecher genau und mit einem umfangreichen HIFI-Vokabular beschreiben möchte, findet hier etliche Beschreibungen und Erklärungen zum Wesen des Klangs.

Eines muss man aber gleich vorausschicken: Idealerweise sollten alle Schallwellen, egal aus welchem Teil des Frequenzspektrums, zeitgleich beim Hörer ankommen. Nur dann ergibt sich ein homogenes Klangbild. Am praktischsten wäre es, wenn daher alle Schallwellen an exakt einem Punkt entstehen würden (Punktschallquellen-Prinzip). Das ist ja beim schon erwähnten Breitband-Chassis der Fall, jedoch verbunden mit anderen Nachteilen. Aus diesem Grund arbeiten manche Hersteller (z.B. Piega, Elac, KEF) mit sogenannten koaxialen Chassis für den Mittel- und Hochtonbereich. Bei koaxialen Chassis sitzt der Hochtöner inmitten des Mitteltöners. Folge: Der Schall im Hoch- und Mitteltonbereich wird nach dem Prinzip der Punktschallquelle zeitgleich ausgegeben und kommt absolut zeitgleich beim Hörer an. Wenn man keine koaxialen Chassis verwendet, muss man mit Tricks auf der Frequenzweiche oder speziellen anderen Anordnungen der Chassis Zeitlaufunterschiede zwischen den Frequenzbereichen ausgleichen. Im Tieftonbereich muss man das sowieso tun, es sei denn, wir haben ein Zweiwege-Koaxialprinzip wie bei der KEF LS 50. Hier ist tatsächlich nur ein einziges Mitteltieftonchassis mit einem zentral sitzenden zusätzlichen Hochtöner verbaut.

Wichtig ist natürlich auch die Aufstellung des Lautsprechers im Hörraum, denn sie beeinflusst maßgeblich die Klangqualität, die erzielt wird. Der Bass erscheint zum Beispiel bei wandnaher Aufstellung eines Lautsprechers als sehr mächtig. Die Wände reflektieren und verstärken den Schall, was zum eben beschriebenen Effekt führt.

Tiefe Frequenzen weisen auch eine deutlich geringere Richtcharakteristik auf. Bässe werden in alle Richtungen, Mittel- und Hochtöne im Gegenzug direkter abgestrahlt. Der Bassbereich kann daher in der Regel mehr Raumreflexionen aufweisen, was sich negativ auf das Klangerlebnis auswirken kann. Mittel- und Hochtöne können ebenfalls reflektiert werden, insbesondere von harten Flächen wie Holzböden, Klinker und kahlen Wänden. In der Praxis erweisen sich bekannte Phänomene wie ein Aufschaukeln im Bassbereich als oftmals schwierig zu handhaben.

Alle Reflexionen, ganz gleich aus welchem Frequenzbereich können Timing, Tiefe und Definition des Lautsprechers stören, was natürlich vermieden werden sollte. Das ist in der Praxis in einem normalen Wohnraum aber nur mit Einschränkungen möglich. In einem Tonstudio oder in einem Testraum eines Lautsprecherherstellers setzt man daher auf akustisch optimierte Räume, um einen sogenannten Eigenklang des Raums zu vermeiden.

Wer in einem normalen Raum eine gute Klangqualität realisieren möchte, fährt gut damit, wenn die Lautsprecher nicht wandnah, sondern eher frei im Raum aufgestellt werden. Natürlich muss man auch hinzufügen, dass die bereits weiter oben beschriebene Richtcharakteristik von Lautsprechern gänzlich unterschiedlich ausfällt, das heißt, das Abstrahlverhalten variiert. Lautsprecher kompakter Bauart, die z.B. in einem Tonstudio verwendet werden, haben begrenzte Abstrahlwinkel und sind für das sogenannte Nahfeld gedacht. Hier sitzt der Toningenieur, der abmischt, nicht weit entfernt von den Lautsprechern. Fürs heimische Wohnzimmer sind sogenannte „Nahfeld-Monitore“ denkbar ungeeignet. Hier braucht man Lautsprecher, die in einem deutlich breiteren Bereich abstrahlen. Um ein perfektes Hörerlebnis im Stereo-Betrieb genießen zu können, muss man die Lautsprecher öfters auf den Hörplatz hin anwinkeln. Im Idealfall sitzt der Hörer dann im Zentrum des sogenannten „Stereo-Dreiecks“. Werden kompakte Lautsprecher in einem Regal aufgestellt oder an der Wand aufgehängt, sollten sie am besten in Ohrenhöhe positioniert oder zur Hörposition angewinkelt werden, um den bestmöglichen Klang zu garantieren.

Vorher stellt sich oft die Frage: Was muss ich beim Lautsprecherkauf beachten? - hier finden Sie fünf Punkte, die bei einem Kauf von Lautsprechern relevant sind.

Außerdem gibt Ihnen Carsten Rampacher 10 Tipps zum Kauf von Lautsprechern.

Alle neuen Lautsprecher müssen „eingespielt“ werden.  Diese Einspielzeit variiert allerdings je nach Hersteller deutlich, weil sie z.B. vom verwendeten Membran- und Sickenmaterial abhängt. Aber: Wie auch ein modernes Auto nach wie vor zumindest die ersten 1.000 km eingefahren werden muss, so verhält es sich während der ersten Betriebsstunden auch mit den Lautsprechern. Der Klang wird mit zunehmender Einspielzeit freier, souveräner, kraftvoller und detailreicher. Die Hersteller geben in der Betriebsanleitung die empfohlene Einspielzeit an. Mit verhaltenem Pegel, um z.B. die Nachbarn nicht zu stören, können die Boxen auch bei eigener Abwesenheit eingespielt werden. Hier genügt es, einen Radiosender, am besten mit möglichst abwechslungsreicher Musik, einzustellen.

... sind die Rahmenbedingungen immens wichtig. So ist ein fester Stand der Box Grundvoraussetzung für eine stimmige Akustik. Im Idealfall gehören Kompakt- oder Regallautsprecher auf die vom Hersteller optional angebotenen Ständer bzw. an spezielle Wandhalterungen, Standlautsprecher und auch Boxenständer werden z.B. mit Spikes und entsprechenden Unterleg-Scheiben (damit der teure Marmor- oder Parkettboden nicht zerkratzt), die in der Höhe einstellbar sind und so Unebenheiten des Untergrunds (z.B. bei alten Dielenbrettern) ausgleichen können, aufgestellt. Einige Ständer lassen sich für noch mehr Stabilität zusätzlich mit Sand befüllen. Bringt man die Regallautsprecher auch, Nomen est Omen, in einem Regal unter, kann man den Lautsprecher auf vier Gummipuffer setzen. Oftmals befinden sich diese bereits im Lieferumfang.

Wir raten zum Kauf von Qualitätskabeln, die es in unterschiedlichen Preisklassen gibt. Auch bei nicht allzu teuren Stand- oder Regallautsprechern lohnt die Investition in ein gutes Kabel. Da es sich um eine verlustbehaftete Signalübertragung vom Verstärker zu den beiden Stereo-Lautsprechern handelt, sollte das Kabel nicht länger ausfallen als unbedingt nötig. Hier gilt: Je dicker die Leiter im Kabel, umso besser. Unter einem Querschnitt von 2,5 mm ist keine vernünftige Qualität bei der Übertragung garantiert. Für perfekte Kontaktsicherheit raten wir, nicht einfach die Kabelenden freizulegen und in die Terminals zu quetschen. Hilfsmittel wie z.B. Bananenstecker sind hier bedeutend besser geeignet. Beim Anschluss der Lautsprecher ist darauf zu achten, dass Plus- und Minus-Klemme am Verstärker und am Lautsprecher übereinstimmen. Der Verstärker sollte im Übrigen während des Anschließens der Lautsprecher ausgeschaltet sein.

Jeder Lautsprecher kann durch ein zu starkes elektrisches Signal zerstört werden. Das heißt: Ein extrem leistungsfähiger Verstärker an einem durchschnittlich belastbaren Regallautsprecher stellt keine gute Idee dar. Aber: Auch ein schwacher Verstärker kann, bedingt durch krasse Verzerrungen z.B. bei der Hochtonwiedergabe, einen belastbaren Lautsprecher zerstören. Hier spricht man dann von „Clipping“ das extrem unsaubere Signal vom Verstärker ist hier für das Problem verantwortlich. Aufpassen muss man auch mit der Theorie, dass ein kleiner, kompakter Lautsprecher auch mit einem wenig kraftvollen Verstärker betrieben werden kann. Das ist grundfalsch. Vielmehr weisen z.B. kleinere Lautsprecher mit einem geschlossenen Gehäuse (kein Bassreflex) einen eher geringen Wirkungsgrad auf. Mit „Wirkungsgrad“ ist gemeint, wieviel eingeführte elektrische Energie tatsächlich in akustische umgesetzt wird. Meist wird der Wirkungsgrad in dB, bezogen auf 1W/1 Meter Distanz angegeben. Ist er gering, braucht man einen Verstärker mit ordentlich Leistung.

Die großen Hersteller der HIFI-Welt verblüffen immer wieder mit neuen Technologien und Bauweisen, die sie in ihre Lautsprecher-Serien integrieren und präsentieren. Bei unseren High-End Lautsprecher in der Übersicht ist eine Auswahl an exklusiven HIFI-Schallwandlern aufgeführt.

Auch hier sind zwei Beispiele für die Hersteller KEF und Bowers & Wilkins vorgestellt ...

Die Bowers & Wilkins Serie 700 löst die CM-S2-Serie ab und ordnet sich, wie die Modellziffer schon vermuten lässt, direkt unter der 800er-Serie ein. Nicht nur was die technischen Merkmale betrifft, auch klanglich steht sie den viel teureren Geschwistern der Nautilus-Familie um wenig nach. Für ambitionierte Musikliebhaber sind die Lautsprecher der 700er-Serie auf jeden Fall hochinteressant, denn sie überzeugen durch Klarheit, Transparenz und Spielfreude. Technisch integrieren sie die revolutionären Innovationen der 800 Series Diamond in eine "bezahlbare" und durchaus "alltagstaugliche" Lautsprecher-Serie. Nicht nur die Continuum-Technolgie lässt die Serie glänzen. Aerofoil-Membrane erzeugen einen gewaltigen Bass, während der Carbon-Hochtöner kristallklare Höhen sauber erklingen lässt.

Die preislich unter der B&W Serie 700 angelegte Bowers & Wilkins Serie 600 von Bowers & Wilkins bietet Ihnen ein Sounderlebnis, mit dem Sie in Ihre Lieblingsfilme und -musik eintauchen können. Die Serie setzt einen Standard für günstige Lautsprecher und sorgt für ein atemberaubendes Klangbild. Die Continuum-Membrantechnologie wurde erstmals in den Flaggschiffmodellen der 800 Serie eingesetzt und legt auch bei dieser Serie einen glänzenden Auftritt hin. Der Hochtöner mit doppellagiger Kalotte wird hier in einer verfeinerten, aktualisierten Version verarbeitet.

Drei Standlautsprecher, ein Regallautsprecher, ein Centerspeaker und ein Surround-Lautsprecher schmücken die attraktive R Serie von KEF. Jeder dieser Lautsprecher wurde für ein perfektes Heimkinoerlebnis entwickelt und bietet durch innovative Technik einen atemberaubenden Klang. Die von der Reference-Serie stammenden Technologien und Materialeien sind das Ergebnis mühevoller Forschung und Entwicklungen bester Ingenieure.

„Genuss in akustischer Perfektion.“ Unter diesem Slogan stellte KEF kürzlich seine Neuauflage der Q-Serie vor. Der Uni-Q-Treiber und Tangerine-Waveguide erzeugen einen präzisen dreidimensionalen Klang der sich gleichmäßig im ganzen Raum verteilt. ABR (Auxiliary Bass Radiator) wartet mit einer revolutionären Konus- und Membranstruktur auf und erzeugt so eine verbesserte Mittelton-Billianz und kontrollierten, eindrucksvolleren Bass, auch bei hohen Lautstärke-Pegeln.