Allgemeines

Ein Lautsprecher besteht in den meisten Fällen aus drei Komponentengruppen: der Membran, der Antriebseinheit sowie deren verbindenden Elementen. Beim Standardmodell des sogenannten Tauchspulenlautsprechers wird die Membran von einer mittig angebrachten Schwingspule in Bewegung versetzt; zum Antrieb gehört neben der Spule ein Magnet, in dessen Feld sie schwingt. Ein Korb verbindet den Magneten mit einer Sicke sowie einer Zentrierspinne, welche ihrerseits die Membran führen.

Abhängig vom Einsatzzweck bestimmen unter anderem die benötigte Lautstärke, der Frequenzumfang, das Platzangebot und die erwünschte Signaltreue, wie der Wandler jeweils konstruiert wird: Lautsprecher für Durchsagen am Flughafen müssen ganz anderen Anforderungen entsprechen als Player-Ohrhörer oder etwa Ultraschallreiniger.

Bei HiFi-Lautsprecherboxen werden meist mehrere frequenzspezifisch optimierte und über Lautsprecherweichen selektiv angesteuerte Wandler eingesetzt, um das gesamte Hörspektrum abzudecken. Lautsprecher lassen sich in ihrem unteren Arbeitsbereich durch ihre Thiele-Small-Parameter beschreiben, wodurch das komplexe Zusammenspiel ihrer Bauelemente rechnerisch fassbar wird.

Grundlagentheorie

Im unteren Arbeitsbereich um die Resonanzfrequenz lassen sich Lautsprecher, die als getriebenes Masse-Feder-System arbeiten, durch die Thiele-Small-Parameter beschreiben.

Ähnlich wie elektrischer Strom, der durch die elektrische Stromstärke und die elektrische Spannung beschrieben werden kann, gibt es bei Schallwellen die Schallschnelle und den Schall(wechsel)druck. Schallschnelle beschreibt die Geschwindigkeit, mit der die Luftmoleküle durch den Schall bewegt werden, Schalldruck den dabei entstehenden Druck. Schallabstrahlung einer Membran an die sie umgebende Luft ist auf Grund der geringen Schallimpedanz von Luft eine sehr ineffiziente Sache, die bei tiefen Frequenzen weiter auf 0 abfällt, bei höheren Frequenzen steigt sie mit einigen Überschwingern bis auf einen von Form und Größe der Membran vorgegebenen Grenzwert an. Beim klassischen Problem des Kolbenstrahlers in unendlicher Schallwand im allseits unendlich großen Raum ist der Strahlungswiderstand bis zum Grenzwert proportional zur Frequenz. Dies sollte ein stark höhenbetontes Klangbild zur Folge haben. Es ist bei fast allen Strahlern aber so, dass die aufgebrachte mechanische Kraft für höhere Frequenzen konstant ist und damit nach Newton auch die Beschleunigung. Dies bedingt, dass die Schnelle umgekehrt proportional zur Frequenz ist. Dies kompensiert genau das Ansteigen des Strahlungswiderstandes. Bei den meisten Strahlern gibt es also ohne weiteres Zutun einen Bereich, in dem die abgestrahlte Leistung unabhängig von der Frequenz ist, und dieser wird folglich zum Hauptarbeitsbereich gewählt.

Das Beispiel mit der unendlichen Schallwand zeigt, dass eine analytisch mathematische Behandlung nur in einfachen Modellfällen möglich ist. Mehrere Membranen oder Resonatoren interagieren miteinander und mit den Strukturelementen von Räumen. Dies verändert unter anderem den Strahlungswiderstand. Man kann sich den Strahlungswiderstand als zusammengefasste Rückwirkung des Strahlungsfeldes auf den Strahler vorstellen.

Bei Direktstrahlern, die nur aus Membranen bestehen, sind die Kräfte, mit denen das Strahlungsfeld auf die Membran zurückwirkt, gegenüber der Antriebskraft, der Massenträgheit und den elastischen Federkräften vernachlässigbar. Die Bewegung der Membran ist also praktisch unabhängig vom barometrischen Gleich-Luftdruck, bis hin zum Vakuum. Elektrische und mechanische Messungen an Chassis sind somit im Freifeld vergleichbar mit solchen im Hallraum. Die Berechnung der Zusammenschaltung mehrerer Membranen zu einem Feld kann daher durch einfache, rückwirkungsfreie Überlagerung der Einzelcharakteristiken erfolgen. In diesem Fall spricht man von einer Fehlanpassung mit entsprechend geringem Wirkungsgrad.

Der Einsatz von akustischen Resonatoren oder Impedanztransformatoren, beispielsweise Hörnern, ändert schmal- oder breitbandig sehr drastisch die Ankopplung der Membran an das Strahlungsfeld. Die Kräfte des Strahlungsfeldes auf die Membran sind nicht länger vernachlässigbar. Die Zusammenschaltung ist in diesem Fall nicht rückwirkungsfrei und auch die anderen Vereinfachungen gelten nicht mehr. In diesem Fall spricht man von einer Leistungsanpassung mit gutem Wirkungsgrad.

Tauchspulenlautsprecher

Dieses Prinzip ist nach wie vor die am weitesten verbreitete Konstruktionsart. Die Bezeichnung rührt daher, dass dabei eine Spule im Feld eines umgebenden Magneten schwingt, also quasi in diesen „eintaucht“. Je nach Einsatzzweck können solche Lautsprecher aber vollkommen unterschiedlich aussehen. Im Home-HiFi-Bereich erstreckt sich die Bandbreite der Wandler von 12″-Tieftönern mit gut 30 Zentimetern Membrandurchmesser bis hin zu 3/4″-Hochtönern mit knapp 2 cm Membrandurchmesser.

Technisch gesehen zählen sie zu den dynamischen Lautsprechern, werden also elektrodynamisch angetrieben. Die Bewegung wird von einer mittig angebrachten Spule ausgelöst; sie ist auf einen zylindrischen Träger gewickelt, der wiederum an der Membran befestigt ist. Leitet man ein elektrisches Signal durch die Spule, wird durch die Lorentzkraft (Wechselwirkung mit dem Feld des umgebenden Magneten) eine Kraft auf die Membran ausgeübt, die diese zum Schwingen veranlasst. Spule und Membran bewegen sich im Magnetfeld senkrecht zum Feldverlauf hin und her. Eine Zentrierspinne und die Sicke sorgen für die Rückführung der Membran in ihre Ruhelage sowie für die Zentrierung der Schwingspule.

Membran, Schwingspule, Sicke und Zentrierspinne sind die beweglichen Teile, während Magnet und Lautsprecherkorb fest stehen. Der Korb hält den Magneten und über Spinne und Sicke die Membran und sein Außenrand dient zur Montage des Lautsprechers. Die Sicke wird in der Regel luftdicht ausgeführt und trägt dann auch zur Schallabstrahlung bei. Zentrierspinne und Korb sollen hingegen dem rückwärtigen Luftaustausch möglichst wenig Widerstand entgegensetzen.

Je tiefer der wiederzugebende Ton, desto größer ist das bewegte Luftvolumen. Tieftonlautsprecher verfügen daher meist über große Membranen und weite Auslenkung. Aus Stabilitätsgründen werden große Membranen konusförmig ausgeführt und mittig von der Schwingspule angetrieben. Hochtonlautsprecher müssen rascheren Impulsen folgen können. Kleine Membranen wirken auch der zunehmenden Schallbündelung bei höheren Frequenzen entgegen. Daher haben Hochtöner meist eine kalottenförmigen Membran, bei der die Schwingspule am Außenrand ansetzt.

Da die Membran grundsätzlich als akustischer Dipol arbeitet – den Schall also ebenso nach vorne wie nach hinten abstrahlt –, kann jedoch bei tiefen Frequenzen ein akustischer Kurzschluss entstehen. Um die wechselseitige Auslöschung der front- und rückseitig abgegebenen Schallanteile zu vermeiden, werden Breitband- und Tieftonlautsprecher daher meist in Gehäuse eingebaut.

Die möglichst unverfälschte Wiedergabe des Originalsignals drückt sich in einem möglichst geradlinigen Frequenzgang aus. Die Komponenten eines Lautsprechers bilden zusammen mit der bewegten Luftmasse ein komplexes Masse-Feder-System. Masse und Steifigkeit der Membran sind dafür ebenso ausschlaggebend wie die Nachgiebigkeit von Sicke und Spinne und die Eigenschaften von Spule und Magnet.

Seit Albert Thiele und Richard Small die nach ihnen benannten Thiele-Small-Parameter festlegten, ist es möglich, die Eigenschaften von Lautsprechern einschließlich des Gehäuses bereits in der Entwurfsphase vorherzusagen.

Magnetostatischer Lautsprecher

Magnetostatische Lautsprecher sind entgegen ihrem Namen elektrodynamische Lautsprecher. Sie funktionieren nach dem gleichen Grundprinzip der Tauchspulen-Lautsprecher. Sie sind nicht mit elektrostatischen Lautsprechern zu verwechseln, die ein anderes Antriebsprinzip nutzen und auch ganz anders angesteuert werden (müssen).

Hier wird die Schwingspule nicht auf einem separaten Träger montiert, sondern direkt auf die Membran aufgebracht (Folien-Magnetostaten) oder gleich ganz weggelassen: Beim klassischen „Bändchen“ wirkt das elektrische Signal auf die Membran selbst. Der großflächige Antrieb und das eingesparte Gewicht – die Membran braucht keinerlei Steifigkeit und kann daher hauchdünn ausfallen – sorgen für beste Impulstreue und Detailauflösung.

Allerdings muss sich der Schall seinen Weg zwischen den umgebenden Magneten (hier: Magnetstäben) bahnen. Deren Feldstärke limitiert wiederum die Auslenkung der Membran, und mit zunehmender Fläche – wenn sie auch tiefere Frequenzen wiedergeben soll – stellen sich, wie bei allen Membranen, Bündelungseffekte ein.

Magnetostatische Lautsprecher werden heute hauptsächlich im Hoch- und Mitteltonbereich eingesetzt.

Elektrostat

Elektrostaten nutzen die Coulomb-Kraft statt der Lorentzkraft als Antrieb. Es wird eine hohe Ansteuerspannung statt eines großen Ansteuerstroms benötigt. Weiterhin muss diese an sich hochnichtlineare Kraft (k₂ = 100 %) durch Nutzung einer Vorspannung und des Gegentaktprinzips linearisiert werden. Konstruktiv wird diese Form des Antriebs so gut wie immer mit Flächenlautsprechern kombiniert. Die Spannung wird nicht einer Elektrode zugeführt, sondern liegt immer zwischen Elektroden an. Verschiedene Formen der Ansteuerung sind möglich.

Hier wird das Prinzip des Magnetostaten quasi umgekehrt. Das Signal liegt nicht an der Membran, sondern den umgebenden Elementen an: zwei Elektrodengittern (auch Statoren genannt), die im Gegentakt arbeiten.

Elektrostaten (kurz: „ESL“) nutzen die elektrostatische Anziehungskraft. Die straff montierte Membranfolie wird unter eine hohe konstante Spannung gesetzt (zwischen 1.000 und 5.000 Volt).

Was Probleme bezüglich der Auslenkung oder der Schallbündelung bei höheren Frequenzen betrifft, gleichen Elektrostaten ihren magnetostatischen Pendants hier ebenso wie in deren klanglichen Vorzügen. Allerdings muss ein deutlich höherer technischer Aufwand betrieben werden – und ohne separate Stromversorgung aus der Steckdose funktionieren sie nicht.

Diese Bauart wurde zu einer Zeit entwickelt, als man noch keine ausreichend starken Permanentmagneten herstellen konnte, wie sie für großflächige Magnetostaten notwendig sind. Lautsprecher wie der legendäre Quad-Elektrostat (1957) waren die ersten Wandler mit Folienmembran, die annähernd das gesamte menschliche Hörspektrum abdeckten.

Piezo-Lautsprecher

Piezo-Lautsprecher nutzen den piezoelektrischen Effekt. Ein Piezokristall ändert seine Dicke proportional zur angelegten Spannung. Sogenannte Piezoelemente arbeiten somit bereits als direkt schallabstrahlende Wandler.

Wegen der schwachen Wiedergabe bei tiefen Frequenzen finden sie sich als alleinige Schallgeber jedoch nur in Kleingeräten als Summer oder zur Sprachwiedergabe. Wo mehr Pegel gefordert ist, wird das Element mit einer Konusmembran versehen, die ihrerseits in ein Horn strahlt.

Im HiFi-Bereich werden Piezolautsprecher weniger eingesetzt. Ausgeprägte Eigenresonanzen der Wandler (meist im Bereich von 1–5 kHz) ermöglichen nur eine verzerrte Wiedergabe.

Anwendungen sind auch die Ultraschall-Erzeugung, zum Beispiel zur Marderabwehr, in Abstandswarnern, Entfernungsmessgeräten, früheren Fernbedienungen oder medizinischen Ultraschallsonden.

Elektromagnetischer Lautsprecher

Das Konstruktionsprinzip stammt aus der Frühzeit der Audiotechnik. Es wird entweder eine Eisenmembran bewegt, die den Schall direkt abstrahlt (siehe Bild), oder ein von einer Spule umschlossener Eisenstab schwingt vor dem Luftspalt eines Dauermagneten und ist mit einer Papiermembran verbunden.

Typisch war die Eisenmembran-Variante in frühen Kopfhörern und Telefonhörern. Die Papierkegel-Membran-Variante war in Radios gebräuchlich.

Wegen ungenügender Wiedergabequalität (eingeschränkter Frequenzbereich, buckliger Frequenzgang („blecherner“ Klang), prinzipiell hoher Klirrfaktor) werden elektromagnetische Lautsprecher seit den 1930er-Jahren kaum mehr verwendet. Man fand sie in den 1980er-Jahren noch in Kinderspielzeug.

Plasmalautsprecher

Plasmalautsprecher wandeln elektrische Signale ohne Umweg über bewegte Schwingspulen oder Membranen in Schallwellen um, indem ein Plasma oszilliert. Sie erzeugen zwischen zwei Elektroden ein Luftplasma, dessen Größe und Temperatur im Signaltakt amplitudenmoduliert schwingt, und nutzen so die Eigenschaft der Luft, sich bei Erwärmung auszudehnen und bei Abkühlung wieder zusammenzuziehen.

Plasmalautsprecher arbeiten nahezu verzögerungsfrei und liefern einen Frequenzgang bis weit über den Hörbereich hinaus.

Einschränkungen der kugelförmigen Abstrahlung entstehen durch Bauteile, die das Plasma erzeugen und „im Weg“ stehen.

Die Bildung von Ozon ist ein nachteiliger Nebeneffekt. Plasmalautsprecher spielen weiterhin auch kaum eine Rolle wegen der schlechten elektromagnetischen Verträglichkeit, denn die Entladung wird mit Hochfrequenz angeregt.

Plasmalautsprecher sind nur als Hochtöner verwendbar.

Horntreiber

Hornlautsprecher können auf einem beliebigen Wandlerprinzip beruhen. Hornlautsprecher strahlen Schall nicht direkt, sondern über ein vorgeschaltetes Horn ab. Dies erhöht den Wirkungsgrad, indem es die akustische Impedanz der Membran besser an die Freiluftimpedanz der Luft anpasst.

Horntreiber können zusätzlich mit einer Druckkammer kombiniert werden, diese stellt eine Verengung der Schallführung vor dem eigentlichen Horn dar. Druckkammern steigern den Wirkungsgrad weiter, erhöhen allerdings den Klirrfaktor. Die animierte Grafik stellt einen Horntreiber mit einer zusätzlichen Druckkammer dar.

Horntreiber unterscheiden sich insofern von anderen dynamischen Lautsprechern, als sie für den Betrieb mit einem frontseitig anzubringenden Horn optimiert werden. Sie haben daher unter anderem keinen Montagering zur Fixierung in einer Schallwand, sondern einen (genormten) Anschlussflansch. Ihr Korb besteht aus einer weitgehend geschlossenen Hülle, die sich vor der Membran verjüngt.

Der obligate Hornvorsatz sorgt für eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades, beeinflusst jedoch auch den Frequenzgang sowie das Abstrahlverhalten.

Im PA-Bereich werden Schallführungen und Hornvorsätze zum Erhöhen des Wirkungsgrades häufig eingesetzt. In der HiFi-Praxis werden Horntreiber nur für die Schallreproduktion vom Mitteltonbereich aufwärts angeboten.

Biegewellenwandler

Während die Membran bei Konuslautsprechern möglichst steif sein soll, um eine kolbenförmige Bewegung zu gewährleisten, nutzen Biegewellenwandler gerade die Verformbarkeit: Die Wellen breiten sich auf der Membran, konzentrisch vom Ansatz der Schwingspule ausgehend, wie auf einer Wasseroberfläche aus.

Dafür muss zum Beispiel die Sicke – genauer gesagt: die Aufhängung der Membran am Außenrand – anders gebaut werden; der Rand schließt mit einem Wellenwiderstand ab, damit Reflexionen vermieden werden. Die Unterdrückung unerwünschter Partialschwingungen ist neben der geringen Schallausbeute eines der größten Probleme solcher Lautsprecher. Andererseits glänzen sie mit homogener Wiedergabe und breitem Abstrahlverhalten.

Neben den bekannten Flachmembranen, die Josef Wilhelm Manger entwickelte („Manger Schallwandler“), arbeiten heute auch andere Lautsprecherkonstruktionen nach diesem Prinzip (siehe unten, Abschnitt „Rundumstrahler“).

Von Grenzfällen wie Soundboards (Flächenlautsprecher) abgesehen (hier werden Teile einer Zimmerwand durch Exciter – siehe unten, Abschnitt „Sonstige Varianten“ – zum Schwingen gebracht), sind solche Biegewellenlautsprecher aufgrund der aufwendigen Konstruktion vergleichsweise teuer und werden daher hauptsächlich im hochpreisigen HiFi-Segment angeboten.

Radialstrahler

Um der Schallbündelung entgegenzuwirken, strahlen solche Konstruktionen zumindest horizontal (möglichst) omnidirektional ab. In den meisten Fällen wird das jedoch über Gehäuseelemente realisiert, zum Beispiel mit Hilfe von Dispersionskegeln, die man vor konventionelle Wandler montiert. Von sich aus omnidirektionale Lautsprecher sind sehr selten.

Bislang kommen nur Plasmalautsprecher (siehe oben) dem theoretischen Ideal einer kugelförmigen Abstrahlung nahe. Eine immerhin kreisförmige Abstrahlung bieten andere spezielle Lautsprecher, etwa von German Physiks oder MBL. Erstere nutzen die „Rückseite“ einer langgestreckten Konusmembran, die nach dem Biegewellenprinzip arbeitet; bei Letzteren wird ein Lamellenring im Takt des Signals gestaucht.

Ihr Vorteil bei der HiFi-Wiedergabe liegt im gleichmäßigen Abstrahlverhalten, das den Hörer nicht auf einen Punkt im Stereodreieck festlegt. Andererseits werden raumakustische Effekte verstärkt, was die Abbildungspräzision beeinträchtigt: Die von den Zimmerwänden reflektierten, laufzeitdifferenten Schallanteile überlagern sich mit den bereits in der Aufzeichnung enthaltenen Rauminformationen.

Rundumstrahlende Lautsprecher werden nur zur Wiedergabe des Mittel- und Hochtonbereiches eingesetzt, da in der Praxis auch konventionelle Wandler niedrigere Frequenzen bereits annähernd kugelförmig abstrahlen.

Sonstige Varianten

Subwoofer stellen für Bass und Tiefbass spezialisierte Lautsprecherboxen dar, die zusammen mit Satellitenboxen erst das vollständige Spektrum wiedergeben.

Exciter stellen als membranlose Schwingungsanreger eine Sonderform des Lautsprechers dar. Sie werden wie normale HiFi-Wandler von entsprechenden Verstärkern angetrieben, benötigen jedoch ein festes Medium als „Membran“ – das heißt, sie müssen erst an einem Objekt fixiert werden, das sie in Schwingung versetzen. In der Praxis können sie zum Beispiel hinter Wandpaneelen montiert werden, wodurch Teile der Zimmerwand dann als „unsichtbare Lautsprecher“ agieren. Solche Kombinationen arbeiten im Prinzip als Biegewellenwandler. Andere Typen werden – zur Ergänzung des Klangbildes, statt eines Subwoofers – an Sitzmöbel geschraubt, wo sie Körperschall erzeugen und so durch tieffrequente Vibrationen das subjektive Bass-Empfinden des Zuhörers verstärken.

Ultraschallwandler werden unter anderem zur Tierabwehr eingesetzt (siehe weiter oben, Abschnitt „Piezolautsprecher“) oder zu Messzwecken (nach dem Laufzeitprinzip, siehe Echolot und Sonar), ferner zur Reinigung, Materialbearbeitung und in der Medizin (siehe Sonografie).

Unter Ausnutzung des nichtlinearen Verhaltens der Luft kann modulierter Ultraschall auch zur Wiedergabe von Hörschall dienen (Parametrischer Ultraschalllautsprecher). Der hörbare Schall entsteht im Ultraschallstrahl hoher Intensität durch Demodulation wegen der Absorption aufgrund der Druckschwankungen und hat eine ähnliche Richtwirkung wie das Ultraschallbündel. Das Verfahren wird in Museen und Kunsthallen für Informationen zu einzelnen Exponaten sowie in der Werbung und der Kunst eingesetzt. Angestrebte Anwendungen sind die individuelle Ansprache von Konferenzteilnehmern und die Beschallung einzelner PKW- und ÖPNV-Insassen.

Sogenannte Parabollautsprecher hingegen sind keine eigenständigen Wandler, sondern nutzen nur die Bündelung durch mechanische Reflektoren. Beispiele dafür sind „Soundduschen“ (im Ausstellungsbereich für lokal begrenzte Audio-Information eingesetzt) oder – im militärischen Kontext – Schallkanonen.

Die Bezeichnung Flachlautsprecher wiederum wird in so vielen unterschiedlichen Zusammenhängen gebraucht, dass sie praktisch nichts aussagt. Es können damit ebenso dynamische Wandler mit gerader statt konusförmiger Membran gemeint sein wie per Exciter betriebene Wandelemente (siehe oben) oder Lautsprecher, die statt in Boxen direkt in eine Zimmerwand montiert werden (wodurch ihre Wiedergabecharakteristik annähernd dem Einbau in eine unendliche Schallwand entspricht).

Lineare Wiedergabefehler

Lineare Wiedergabefehler sind pegelunabhängige Fehler. Sie treten bei allen Schallpegeln auf. Weiterhin entstehen keine im Original nicht vorhandenen Frequenzen. Dieser letzte Punkt ist entscheidend für die Unterscheidung von linearen und nichtlinearen Fehlern. Mathematisch lässt sich durch Additionstheoreme zeigen, dass nur im Falle nichtlinearer Fehler neue Frequenzen im Spektrum entstehen.

Nichtlineare Wiedergabefehler

Nichtlineare Wiedergabefehler sind im Wesentlichen pegelabhängige Fehler. Hauptursache ist die Nichtlinearität des elektrodynamischen Antriebes aus Spule und Magnetsystem. Bei hohen Schallpegeln ist zudem die Schallausbreitung in der Luft nichtlinear, was sich typischerweise bei den Hornlautsprechern für Großbeschallung bemerkbar macht.

Die nichtlinearen Verzerrungen werden üblicherweise als Frequenzspektrum angegeben. Die Nichtlinearität erzeugt zusätzliche Frequenzen – je nach Art und Stärke der Störung unterschiedliche mit verschiedenen Pegeln.

• Klirrfaktor – Der Klirrfaktor ist die bekannteste und am einfachsten zu messende nichtlineare Verzerrung. Im Hochtonbereich (ab etwa 1 kHz) liegt der Klirrfaktor selbst bei thermischer Grenzbelastung häufig unter 1 %. Der Grund sind die sehr geringen Membranauslenkungen bei hohen Frequenzen. Solche Klirrfaktoren sind zum Beispiel bei Sinustönen noch wahrnehmbar. Die zu Grunde liegende Nichtlinearität macht sich jedoch viel unangenehmer durch Differenztöne bemerkbar. Bei tiefen Frequenzen nimmt die Auslenkung jedoch um Größenordnungen zu und führt zu nichtlinearen Effekten, unter anderem aufgrund nichtlinearer Kräfte der Aufhängung oder insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die Tauchspule den Luftspalt teilweise verlässt. Hinzu kommen parasitäre Schwingungen innerhalb der Membran, die ebenfalls zu Oberwellen führen. Im Bild rechts ist dieser Anstieg des Klirrfaktors hin zu niedrigen Frequenzen etwa auf das Zehnfache gut zu sehen. Bei sehr tiefen Tönen bleiben Klirrfaktoren bei Musikwiedergabe oft unbemerkt, bei Sinussignalen treten sie jedoch deutlich zutage, da die Oberwellen im Bereich großer Hörempfindlichkeit liegen. Bei professionellen, transportablen Lautsprechern liegen die Klirrkomponenten selbst bei über 100 dB Arbeitspegel in einem Meter Abstand weit unter 1 %. Auch kostspielige Produkte für den Endkonsumenten können dagegen bereits bei Zimmerlautstärke an sich schon hörbare Verzerrungen aufweisen. Dem Klirrfaktor wird damit begegnet, dass der Lautsprecher im Bereich seines Hubes nicht den linearen Bereich des Antriebes verlässt, dass Membranen partialschwingungsfrei (steif) sind und dass die Membran-Aufhängung und die Spinne dem vollen Hub folgen können. Inwieweit die auditorische Qualität eines Lautsprechers wesentlich von den verschiedenen Nichtlinearitäten abhängt, ist eine offene Frage, siehe unter anderem die Arbeiten von Geddes/Lee.
• Intermodulation wird durch Mehrwegeboxen vermieden und indem Lautsprecher einen möglichst geringen und/oder linearen Hub haben (lange Schwingspule, großer Durchmesser).
  • Amplituden-Intermodulation: Die gleichen Ursachen, welche die harmonischen Verzerrungen hervorrufen, sorgen grundsätzlich auch für Intermodulation. Beim Lautsprecher wirken viele nichtlineare Teile zusammen, die direkte Ableitung der Intermodulation aus den harmonischen Verzerrungen ist deshalb kaum möglich. Intermodulation wird bei geringeren Anteilen als beim Klirrfaktor schon als störend empfunden. Professionelle Anlagen erreichen beim üblichen Arbeitspegel unter 1 % Differenz- und Summentonverzerrungen. Stärker kompromissbehaftete Lautsprecher für Endverbraucher erzeugen je nach Größe und Frequenzbereich bei Arbeitspegel auch mehr als 10 %.
  • Frequenz-Intermodulation: Weil sich die Membran zur Erzeugung des Schalls bewegen muss, ändert sich ihre Lage ständig relativ zum Übertragungsmedium. Die ständige Lageänderung wirkt auf die Schallwelle über den Doppler-Effekt. Dieser tritt umso stärker auf, je höher die Auslenkung der Membran ist. Insbesondere hohe Frequenzen, die durch Partialschwingungen der Membran erzeugt werden, unterliegen dabei dem Hub der Basstöne. Der Lautsprecher stellt dann eine abwechselnd auf den Hörer zukommende bzw. sich von ihm entfernende Schallquelle dar. Hohe Frequenzen erfahren dabei eine Schwebung (also eine Verstimmung) im Rhythmus der ihr unterlagerten, tieferen Frequenzen, was sich als „Rauheit“ im Klangbild bemerkbar machen kann.
• Dynamikkompression bzw. weiches Clipping tritt auf, wenn der Lautsprecher sich seiner Aussteuerungsgrenze nähert und ist im teilweisen Verlassen des Magnetspaltes durch die Tauchspule oder durch die mechanische Begrenzung der Auslenkung begründet.

Raumakustik

Hörräume erzeugen Klangverfärbungen. Es kommt zu Interferenzen zwischen direktem Schall und reflektiertem Schall, der den Klang verändert, zum Beispiel wenn die Lautsprecherbox in einer Mauerecke steht. Insbesondere große Räume besitzen je nach Möblierung, Wandverkleidung und Menge der Gäste einen Nachhall und ggf. impulsverzerrende Reflexionen. Lange Schallwege verursachen eine relativ stärkere Dämpfung höherer Frequenzen. Dem wird bei großen Sälen und im Freien mit gerichteter Abstrahlung der hohen Schallfrequenzen oder mit laufzeitverzögerten, weiter im Hörgastbereich aufgestellten Höhenlautsprechern begegnet.

Für einen bestimmten Ort im Raum können verfälschte Frequenzgänge durch inverse Filterung beseitigt werden. Allerdings werden die Probleme an einem anderen Ort dadurch eventuell schlimmer, da dort andere Interferenzen auftreten. Der hinsichtlich der Wiedergabe ideale Reflexionsarme Raum ist nicht realistisch und nicht gewünscht. Das menschliche Gehör kann sich an Frequenzgangverzerrungen anpassen, nicht jedoch an zu starken Hall und Mehrwegeausbreitung (Reflexion) von Impulssignalen bzw. Zischlauten.

Korrekturtechniken

Jeder Schallwandler, also der/die Treiber einschließlich aller Elemente des Gehäuses bzw. der Schallführung (im Grunde auch des Hörraums) ist ein System mit verteilten Parametern. Die klassische Vorstellung eines elektromechanischen Systems mit konzentrierten Parametern (Massen, Federsteifigkeiten, Schwingkreisgüten) vermag nur erste Anhaltspunkte einer Simulation zu geben. Zur rechnerischen Betrachtung dienen auch die Thiele-Small-Parameter. Damit eine Optimierung mit den im System verteilten Parametern durchgeführt werden kann, wurden verschiedene Korrekturtechniken entwickelt. Diese lassen sich grob in Steuerungen und Regelungen differenzieren.

Zusammenfassung

Diskussionen und Aktivitäten zur Verbesserung der Wiedergabe befassen sich häufig nur mit den linearen Artefakten. Oben wurde dargelegt, dass bei normalen Abhörsituationen gegenüber diesen Fehlern der Lautsprecher die Effekte durch Interferenzen und Reflexionen im Raum überwiegen, sodass außer in reflexionsarmen Räumen auch gute Boxen keine gute Wiedergabe liefern können – die kammfilterartigen Auslöschungen und Verstärkungen führen dazu, dass bestimmte Frequenzen, die auf dem Tonträger vorhanden sind, stark abgeschwächt oder verstärkt wiedergegeben werden.

Die nichtlinearen Artefakte sind demgegenüber weit irritierender, weil zusätzlich Frequenzen entstehen, die in der Aufnahme nicht enthalten sind. Sie werden maßgeblich durch die Lautsprecher verursacht und nicht wie oft vermutet durch den Verstärker oder andere Übertragungsglieder. Sie sind daher ein wesentliches Qualitätskriterium von Lautsprechern, erklären jedoch nur teilweise deren große Preisunterschiede.

Impedanz

Da ein Lautsprecher mit Wechselspannung betrieben wird, unterscheidet sich der elektrische Widerstand bei Gleichstrom (mit Ohmmeter gemessener Wert) von der Impedanz, die sich aus einem Wirkwiderstandsanteil und einem Blindwiderstandsanteil zusammensetzt. Durch Gegeninduktion der schwingenden Membran entstehen zusätzlich Bereiche mit besonders hoher Impedanz (Resonanz).

Mit sinkender Impedanz sinkt auch die Spannung, die zum Erreichen der gleichen Leistung erforderlich ist, während der Strom sich in gleichem Maße erhöht. Hifi-Lautsprecher werden überwiegend mit 4 oder 8 Ohm Impedanz angeboten. Es ist für die Wiedergabequalität prinzipiell egal, wie hoch die Impedanz ist, jedoch ist es für die Belastung des Verstärkers wichtig, dass die Impedanz einen bestimmten Wert nicht unterschreitet. Auch können bei langen Lautsprecherleitungen mit gleichem Leitungsquerschnitt bei hoher Impedanz der Lautsprecher höhere Leistungen übertragen werden und der relative Widerstandsanteil des Kabels ist vergleichsweise geringer. Das ist wichtig für die Dämpfung der Lautsprecher durch den niedrigen Quellwiderstand des Verstärkers. Dadurch wird die Impulstreue verbessert.

Kopfhörer haben höhere Impedanzen von etwa 33 bis 400 Ohm. Sie können prinzipiell an Verstärkern für niedrigere Impedanzen betrieben werden, oft ist jedoch am Kopfhörerausgang eines Verstärkers ein Spannungsteiler vorgeschaltet.

Elektrische Belastbarkeit (Leistung)

Die Leistung eines Lautsprechers in Watt wird immer für die eingespeiste elektrische Leistung angegeben – Lautsprecher haben einen sehr geringen und von Modell zu Modell stark unterschiedlichen Wirkungsgrad. Die Belastbarkeit wird durch zwei Effekte limitiert. Zum einen wird wegen des geringen Wirkungsgrades die meiste Energie in Wärme umgewandelt, und zwar in der Schwingspule. Dadurch kann diese thermisch zerstört werden. Zum anderen kann die Schwingspule, der Antrieb oder die Membran durch zu große Auslenkungen mechanisch geschädigt werden. Dies tritt vor allem bei tiefen Frequenzen oder bei Impulsbelastung auf.

Die Angabe einer Sinusleistung (Leistung bei einer festgelegten Frequenz), wie sie zum Beispiel bei Verstärkern üblich ist, ist für die Ermittlung der thermischen Belastbarkeit bei Lautsprechern nicht angebracht, da unter Umständen auch bei geringer Temperatur durch zu große Auslenkungen die mechanische Zerstörung einsetzt. Außerdem sind übliche Musiksignale im zeitlichen Mittel eher einem um 3 dB/Oktave abfallenden Frequenzgemisch ähnlich; siehe 1/f-Rauschen (rosa Rauschen). Daher wird die zulässige (thermische) Leistung eines Lautsprechers für ein rosa Rauschen, begrenzt auf den angegebenen Nenn-Frequenzbereich des Lautsprechers, angegeben. Der angegebene mittlere Effektivwert PRMS bedeutet somit zum Beispiel, dass ein mit 120 Watt RMS und den Frequenzbereich ab 8 kHz angegebener Hochtöner von der gesamten Rauschleistung durch den 1/f Amplitudenverlauf und die erforderliche Lautsprecherweiche nur ein Hundertstel abbekommt. Er verträgt also nur 1,2 Watt.

Für die mechanische Zerstörung ist dagegen sehr wohl ein Sinussignal relevant. Bei Hochtönern wird die mechanische Zerstörung meist nicht erreicht, bevor sie thermisch versagen. Zu große Auslenkungen können meistens am drastischen Ansteigen des Klirrens festgestellt werden. Da die Auslenkung von der Montage und der Box abhängt, werden diese Daten von den Herstellern nicht in Form einer Signalstärke angegeben, es wird lediglich die Länge von Luftspalt und Schwingspule angegeben. Der Betrieb von Hochtönern unterhalb der empfohlenen Grenzfrequenz oder von Horntreibern ohne Horn kann zum Ausfall führen.

Tieftöner können thermisch oder durch zu große Auslenkung zerstört werden. Lautsprecher-Schutzschaltungen berücksichtigen die Wärmekapazität der Lautsprecherspule. Die kleineren Antriebe von Hochtönern haben geringe Wärmekapazitäten und gehen daher schnell thermisch kaputt. Sie werden teilweise durch Ferrofluide im Spalt gekühlt, die Schwingspule kann dann in die Magnetpole Wärme ableiten.

Lautsprecher können unter Umständen nicht durch leistungsschwächere Audioverstärker vor Überlastung geschützt werden: Bei Übersteuerung (Clipping) erzeugen diese vor allem ungeradzahlige Harmonische, die bei Mehr-Wege-Lautsprechern zur Überlastung von Mittel- und Hochtöner führen können.

Anhand der technischen Daten des Lautsprechers kann man den maximal in einer bestimmten Entfernung (angegeben ist meist der Schalldruck in 1 Meter Abstand als Referenz; der Schalldruck sinkt im Freiraum mit dem Quadrat der Entfernung) erzielbaren Schalldruck errechnen.

Die Angabe PMPO, wie sie bei Lautsprechern der untersten Preisklasse zu finden ist, folgt keiner geschützten Definition und besitzt keine Aussagekraft.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener Schallleistung zu zugeführter elektrischer Leistung.

Der Wirkungsgrad von typischen Lautsprechern ist erheblich von der Konstruktion und der Magnetfeldstärke im Spalt der Schwingspule abhängig. Ein hoher Wirkungsgrad geht auf Kosten der Wiedergabetreue, daher hängt der Wirkungsgrad stark vom Einsatzzweck ab. Typische HiFi-Lautsprecher liegen im Bassbereich zwischen 0,2 und 1 Prozent. Die restliche Leistung wird in Wärme umgewandelt, hauptsächlich direkt in der Schwingspule. Da eine nicht unbeträchtliche Menge an Wärme in der verhältnismäßig kleinen Schwingspule entsteht, kann diese bei fehlenden Vorsichtsmaßnahmen bei einer Überlastung schnell zerstört werden.

Für Lautsprecher wird nicht der Wirkungsgrad, sondern der Kennschalldruckpegel angegeben. Hierzu wird der Lautsprecher mit einer elektrischen Leistung von 1 Watt betrieben und in 1 Meter Abstand wird der Schalldruckpegel gemessen. Angaben wie dB/W/m sind unrichtig, da eine logarithmische Größe nicht mit einer linearen Größe ins Verhältnis gesetzt werden kann. Der Kennschalldruckpegel wird als logarithmisches Größenverhältnis in dB auf einen Norm-Schalldruck von 20 µPa (für Luft-Lautsprecher) bezogen und in typisch 1 m Entfernung in der Symmetrieachse in Abstrahlrichtung gemessen.

Den Kennschalldruck kann nicht in einen Wirkungsgrad umgerechnet werden, die Fehler übersteigen üblicherweise eine Größenordnung. Es ist schon mal ein guter Richtwert, wenn man weiß, dass bei Normaldruck 1 Watt Schallleistung in alle Richtungen abgestrahlt (Rundstrahlcharakteristik bzw. Kugelcharakteristik, nur bei Bässen realistisch) in 1 Meter Entfernung einem Schalldruck von 109 dB entspricht. Erreicht man 89 dB Schalldruck, kann man 1 Prozent Wirkungsgrad annehmen. Die Ursache für die mit steigender Frequenz nicht mehr mögliche einfache Umrechnung ist die zunehmend gerichtete Abstrahlung. Das Verhältnis zwischen der abgestrahlten Schallleistung eines in alle Richtungen abstrahlenden Lautsprechers und eines realen Lautsprechers nennt man Bündelungsgrad. Der Wirkungsgrad ist um den Bündlungsgrad zu korrigieren. Ein Bündlungsgrad von 12 dB bei zum Beispiel 10 kHz bedeutet, dass der Wirkungsgrad 16-mal kleiner ist als der Kennschalldruck vermuten lässt. Im Tieftonbereich hängt der Wirkungsgrad außerdem davon ab, ob ein Lautsprecher frei steht (Abstrahlung in den Ganzraum: ${\displaystyle 4\pi }$) oder für die Wandmontage konstruiert wurde (Abstrahlung in den Halbraum: ${\displaystyle 2\pi }$). Ein weiterer Fehler kommt durch die erheblich mit der Frequenz schwankende Impedanz von Lautsprecherboxen zustande. Eine höhere Impedanz bedeutet bei gleichem Spannungspegel eine geringere aufgenommene Leistung, verbunden mit einem höheren Wirkungsgrad. Weiterhin enthält die Impedanz einen Blindanteil, der bei der Einspeisung einer konstanten Spannung unberücksichtigt ist und keine Wirkleistung erzeugt.

Ein gut konstruierter Lautsprecher hat ein über die Amplitude und über die Frequenz ein möglichst konstantes Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Schalldruck. Gemessen wird auf der Hörachse. Der Bündelungsfaktor sollte mit der Frequenz wenn dann monoton fallen, es sollen keine durch Nullstellen getrennte Nebenkeulen im Richtdiagramm auftreten.

Lautsprecher sind durch einen geringen energetischen Wirkungsgrad gekennzeichnet. Dieser ist hauptsächlich in der schlechten Anpassung zwischen der abstrahlenden Fläche und der Schallimpedanz begründet. Eingeschränkter Frequenzgang und tolerierbare Verzerrungen führten zu Konstruktionen, die sehr viel höhere Wirkungsgrade aufweisen als HiFi-Lautsprecher. Meist wird jedoch ein hoher Schalldruck durch Bündelung erreicht. Druckkammerlautsprecher mit Horn vereinen beide Wege. Ein wirkungsgradschwacher Wandler (z. B. ein Magnetostat oder ein dynamischer Lautsprecher mit einem schwachen Magneten) benötigt eine dementsprechend höhere Verstärkerleistung, die als Wärmeleistung von der Schwingspule abgeführt werden muss, damit eine Beschädigung der Spule vermieden wird. Hohe Verstärkerleistung ist unter anderem bei Batteriebetrieb unerwünscht. Verstärker mit hoher Effizienz besitzen ihrerseits nicht immer auch gute Übertragungseigenschaften.

Eine effektive Kopplung des Lautsprechers an die Luft (z. B. Bassreflexprinzip, große Schallwand, großes Volumen bei geschlossenen Boxen, Exponentialtrichter) erhöht die Effizienz. Großer Wirkungsgrad und gleichzeitig gute Schallwiedergabe bei hohen Schalldruckpegeln werden mit großen Lautsprechern (geringere Auslenkung bei gleichem Schallpegel) erreicht. Große Bauformen sind jedoch häufig nicht erwünscht, sie sind teurer oder weisen andere Nachteile auf (z. B. Partialschwingungen der Membran). Auch mehrere kleine Lautsprecher können nichtlineare Verzerrungen vermeiden, führen jedoch eventuell zu Interferenzen.

Effizienzverbesserung durch ausgeprägte Eigenresonanzen kleiner Boxenvolumina oder durch das Bassreflex-Prinzip führen zu einem verzerrten Frequenzgang und zu einer Verschlechterung der Impulstreue.

Bei der Beschallung zum Beispiel von Bahnhöfen kommt es auf eine gute Sprachverständlichkeit bei großem Pegel an. Oft werden hier Hornlautsprecher oder Druckkammerlautsprecher eingesetzt, die nur den relativ geringen Frequenzumfang der Sprache mit hohem Wirkungsgrad wiedergeben. Deren gerichtete Abstrahlung, insbesondere der hohen Frequenzen (Zischlaute), kann zur Erhöhung der Effizienz, aber auch zur Vermeidung von Laufzeit-Verzerrungen (Reflexionen, mehrere Quellen) genutzt werden, die ansonsten die Sprachverständlichkeit beeinflussen.