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Wissenschaft im Alltag: Hast Du Töne?

Den perfekten Lautsprecher gibt es bis heute nicht, doch die Latte liegt immer höher.
Lautsprecher
Ob Jazz von der Stereo-CD oder brachiale Action im Dolby-Surround-Sound, die teuersten Player und Verstärker sind wertlos ohne gute und optimal platzierte Lautsprecher. Deren Aufgabe scheint einfach: Verwandle elektrische Signale in periodische Luftdruckschwankungen – die Schallwellen. Je häufiger sich der Druck ändert, je größer also die Frequenz des Schalls ist, desto höher klingt ein Ton; je ausgeprägter die Druckänderung, desto lauter erscheint er uns.

Grundaufbau eines Lautsprechers | Grundaufbau eines Lautsprechers: Eine Spule schwingt in einem Magnetfeld und zieht dabei eine elastisch aufgehängte Membran mit.
Herzstück eines jeden Lautsprechers ist die konus- oder kalottenförmige Membran aus Papier, mitunter auch aus Plastik oder Metall. Ihr äußerer Rand hängt elastisch in einem metallenen "Korb"; ihr schmales hinteres Ende ist mit einer Spule verbunden, die wiederum in einem ringförmigen Permanentmagneten steckt. Fließt elektrischer Strom durch die Spule, erzeugt sie ein Magnetfeld und wird je nach Stromrichtung zum Nord- oder Südpol des Rings gezogen, je nach Stromstärke mehr oder weniger weit. Entsprechend den wiederzugebenden Schwingungen wechselt die Richtung, die Membran schwingt und eine Schallwelle breitet sich aus.

Kleine Exemplare (2 bis 3,5 Zentimeter Durchmesser) lassen sich leichter anregen und werden deshalb für hohe Töne von 3 bis 20, mitunter sogar bis 55 Kilohertz eingesetzt. Für mittlere Töne von 300 Hertz bis 5 Kilohertz eignen sich Membranen mit 8 bis 16 Zentimeter Durchmesser, für tiefe Töne von 600 Hertz bis 20 Kilohertz sind es 10 bis 40 Zentimeter große. Membran plus Chassis ergibt einen Lautsprecher, ein bis drei davon samt Gehäuse ergeben eine Box.

Sofern nicht schon der Verstärker das Signal nach Frequenzbereichen aufteilt, übernehmen elektronische Weichen in den Boxen diese Aufgabe. Das bringt aber auch Nachteile. Die kleineren Hochtöner strahlen einen engeren Schallkegel ab als Mitteltöner, außerhalb dieses Kegels hört man sie kaum noch. Deshalb verändert sich das Klangbild deutlich, wenn ein Hörer seine Position zur Box wechselt – die verschiedenen Frequenzen erreichen sein Ohr nicht mit der korrekten Lautstärke. Der Ton scheint dumpf, die räumliche Auflösung des Stereoklangs – dort sitzt der Pianist, hier spielt die Gitarre – verschwindet.

Der britische Hersteller KEF ist deshalb dazu übergegangen, Hochtöner und Mitteltöner in einem gemeinsamen Chassis zu integrieren (Uni-Q-Technik). Der Mitteltöner dient dabei als Wellenleiter für die Schwingungen des Hochtöners. Beide senden ein Summensignal in einem gemeinsamen Schallkegel. Membranlautsprecher sind in erster Näherung punktförmige Schallquellen; die Wellenfront entfernt sich also radial von der Quelle und bildet ein Kugelsegment (eine wirkliche Punktquelle würde eine Kugelwelle emittieren). Die Schallenergie nimmt deshalb mit der dritten Potenz des Kugelradius ab, oder technisch ausgedrückt: Mit jeder Verdopplung der Distanz verringert sich die Lautstärke um rund sechs Dezibel (zehn Dezibel entsprächen etwa einer Halbierung). Überlagern sich dann die Wellenfronten separater Boxen, ergibt sich nur in einem engen Raumbereich zwischen ihnen ein originalgetreues Schallfeld. Um dieses herum verschmieren Lautstärke- und Laufzeitunterschiede einmal mehr den Gesamtklang.

Auf Linie gebracht

Eine Lösung konzipierte der amerikanische Hersteller Bose für Bühnenauftritte. Damit ein Musiker klar im Gesamtklang ausgemacht werden kann, besitzt sein "Personalized Amplification System" einen Linienlautsprecher, der zylindrische Schallwellen abstrahlt. Der Vorteil: Die Energie sinkt im Kreissegment eines solchen Zylinders nur mit dem Quadrat des Radius, sodass die Lautstärke nur um drei Dezibel abnimmt. Um eine solche Linie zu bauen, werden Lautsprecher aus schwingenden Kristallen, so genannten Piezokeramiken, übereinander gesetzt.

Das Innenleben der Box | Frequenzweichen (a) filtern elektronisch die elektrischen Signale nach ihren Frequenzanteilen und leiten sie an Mittel-, Hoch- und Tieftöner (b, c, d) weiter. Resonanzrohre (e) nutzen die an der Rückwand reflektierten Wellen der Tieftöner und verstärken den Klang.
Auch Flächenlautsprecher arbeiten ohne Membran. Vielmehr wird eine Platte durch einen Elektromagneten in Schwingung versetzt und strahlt eine ebene Wellenfront ab. In der Praxis vergrößert sich der Schallkegel so auf etwa 130 Grad, innerhalb dieses Winkels wird ein Ton gleich laut gehört. 1971 scheiterte ein solches Unterfangen, weil die über die Platte laufenden Biegewellen an ihren Rändern refl ektiert wurden und mit dem Ausgangssignal interferierten. Forscher des Elektronikkonzerns Siemens entwickelten einen schnellen Prozessor, der das Signal im Vorhinein analysiert und dann so modifiziert, dass die unvermeidlichen Reflexionen durch zusätzliche Wellen ausgelöscht werden. Gemeinsam mit dem deutschen Möbelhersteller Brinkmann brachte das Unternehmen kürzlich einen als Schranktür getarnten Hoch- und Mitteltöner (SieSonic) auf den Markt.

Vieles ist möglich, doch alles hat seinen Preis – Spitzenlautsprecher kosten leicht etliche tausend Euro. Glücklicherweise gehört manches in ein paar Jahren zur Standardausstattung, was heute nur in der Luxusklasse zu haben ist. Das allgegenwärtige Datenformat für digitale Musikdateien MP3 macht überdies deutlich, dass die Ansprüche eines Großteils der Hörer deutlich gesunken sind – bei der Komprimierung der Audiodateien geht Information verloren.

Wussten Sie schon?

  • Während auf der einen Seite einer schwingenden Membran ein Druckbauch entsteht, herrscht auf der anderen Druckabfall. Wäre sie frei im Raum aufgehängt, könnten beide Wellen nach Reflexionen an Zimmerwänden interferieren. Unangenehm klingende Verzerrungen wären auf Grund der Phasenverschiebung die Folge – bei tiefen Frequenzen, also langen Wellenlängen, sogar gegenseitige Auslöschung, denn die Schallwellen reichen um die Membran herum (akustischer Kurzschluss). Deshalb sperrt man sie in ein geschlossenes Gehäuse, das nur nach vorn eine Öffnung hat. Dämpfende Materialien absorbieren die nach hinten laufende Schallwelle.

  • Als der amerikanische Physiker Ray Dolby 1965 eine Firma gründete, hätte er wohl nicht gedacht, dass sein Name einmal untrennbar mit der Filmbranche verbunden sein würde. Zunächst entwickelten die Dolby Laboratories Systeme zur Rauschunterdrückung. Das Plattenlabel Decca war der erste Kunde, doch bald interessierten sich auch Film, Fernsehen und Rundfunk für das Verfahren. Beim Dolby-B-Verfahren werden zum Beispiel leise Töne ab 5000 Hertz bei der Aufzeichnung in der Lautstärke angehoben und bei der Wiedergabe wieder abgesenkt, bei Dolby C außerdem mittlere und hohe Frequenzen verschieden behandelt. Neben der Rauschunterdrückung entwickelte das Unternehmen aber auch bald Verfahren, um die Toninformation zu organisieren und zu komprimieren. So verwaltet Dolby Digital sechs Lautsprecher (Center für Sprache, Subwoofer für tiefe Töne, zwei Stereoboxen vorn und zwei hinten), um einen räumlichen Eindruck im Kino oder Heimkino zu erzeugen. Die Audioinformationen sind in einem speziellen digitalen Format gespeichert.

  • Bassreflexboxen nutzen den rückwärts emittierten Schall. Er regt nach Reflexion an der Rückwand die in einem zusätzlichen Resonanzkörper eingeschlossene Luft zur Schwingung an. Durch eine zweite Öffnung auf der Gehäusevorderseite wird dann eine Schallwelle ausgesandt, die mit der ersten wieder in Phase ist – Schwingungsbauch überlagert sich mit Schwingungsbauch, und die beiden Wellen verstärken einander.

  • Aktivboxen besitzen einen auf das Gehäuse abgestimmten Endverstärker; geregelte Aktivboxen berücksichtigen auch noch die auf Grund der Trägheit der Membranen verzögerte Reaktion auf das elektrische Signal.
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