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Vom Beginn der Musikwiedergabe am Ende des 19. Jahrhunderts bis Anfang der 1960er-Jahre wurde die Musik fast ausschliesslich mit einem einzigen Lautsprecher für den gesamten Frequenzbereich wiedergegeben. In den Anfängen kamen vor allem mechanische Trichtergrammophone zum Einsatz, mit der Erfindung der Röhrenverstärker und des dynamischen Lautsprechers Mitte der 1920er-Jahre kamen dann elektrisch verstärkte Musikanlagen.
Der dynamische Lautsprecher, wie wir ihn bis heute kennen, war von Anbeginn gut geeignet, die menschliche Stimme und Musikinstrumente in ihrem Hauptfrequenzbereich wiederzugeben. Schwierigkeiten bereitete die Wiedergabe besonders hoher und tiefer Frequenzen, weshalb bald für diese Bereiche spezialisierte Lautsprecherchassis entwickelt wurden. Mit dem Aufkommen der Filmindustrie in den 1930er-Jahren taten sich Firmen wie Western Electric und Altec hervor, die Mehrwege-Lautsprecher für grosse Kinosäle entwickelten. Aufgrund der damals geringen Verstärkerleistungen war hohe Effizienz zwingend nötig, und das Horn-Prinzip (Membran arbeitet auf eine Druckkammer mit Hornöffnung) kam zur Anwendung.
Der Mehrwege-Lautsprecher war somit geboren und fand in kompakterer Form allerdings erst in den 1960er-Jahren mit dem Aufkommen von High-Fidelity den Weg in die Wohnzimmer. Bis heute ist der Mehrwege-Lautsprecher mit zwei bis drei dynamischen Chassis für die diversen Frequenzbereiche der Standard geblieben.
Die Punktschallquelle
Mit dem Aufkommen des Mehrwege-Lautsprechers mit meist untereinander aufgereihten Chassis handelte man sich neben dem Vorteil der besseren Übertragungsqualität in den einzelnen Frequenzbereichen aber auch Nachteile ein. Die räumliche Distanz der Chassis, die unterschiedlichen Membrandurchmesser (damit unterschiedliche Richtwirkung) und die Verzögerungswirkung von üblichen passiven Frequenzweichen führen zu allerlei akustischen Schwierigkeiten, die ein Hersteller bewältigen muss.
Insbesondere ist es kaum möglich, eine homogene Richtwirkung über den gesamten Frequenzbereich in horizontaler und vertikaler Ebene zu erzielen und einen Impuls über den Frequenzbereich sauber wiederzugeben. Mit dem Aufkommen der Stereophonie wurde diese Problematik verschärft, weil das darin wichtige Erkennen von Phantomschallquellen dem Gehör weniger leicht fällt, wenn Impulsantwort und Richtverhalten beeinträchtigt sind.
Dies war schon früh bekannt, und es taten sich Hersteller hervor, welche das Problem konsequent zu lösen versuchten. Zum Beispiel mit der Punktschallquelle, bei der alle Frequenzen zur gleichen Zeit aus einem Punkt abgestrahlt werden.
Im Idealfall ist eine Punktschallquelle per Definition endlich klein und strahlt den Schall kugelförmig in alle Richtung gleichmässig ab. Dieses theoretische Ideal ist in der Praxis nicht realisierbar, doch die Hersteller versuchen mit diversen Konstruktionen eine Annäherung.
Dazu entstanden zwei Ansätze: der koaxiale Lautsprecher (ein ineinandergeschachtelter Mehrwege-Lautsprecher) und der Breitbandlautsprecher (der ein möglichst breites Frequenzband überträgt).
Im Klangschloss 2019 sind die Hälfte der ausgestellten Lautsprecher Punktschallquellen, die dem einen oder anderen Prinzip angehören. So ergibt sich die seltene Gelegenheit, diese Systeme untereinander, aber auch mit den klassisch aufgebauten Mehrwegesystemen zu vergleichen.
KEF Uni-Q®: koaxiale Lautsprecher mit durchschnittlichem Wirkungsgrad
Die englische Firma KEF führte im Jahr 1988 ein koaxiales Lautsprecherchassis ein, in dem ein 13-cm-Tiefmitteltöner, in dessen Antriebssystem ein 2-cm-Hochtöner Platz findet. Damit befinden sich beide Antriebe am selben Punkt (koplanar) und strahlen in alle Richtungen gleich ab. Seitdem verwendet KEF dieses Prinzip unter dem Namen Uni-Q® in praktisch allen Lautsprechern in allen Preisklassen. KEF ist der weltweit grösste Hersteller von koaxialen Lautsprechern mit koplanarem Antrieb.
Erst die Verwendung von Neodymium-Magneten machte eine solch kompakte Bauweise möglich, denn für den Hochtöner ist nicht viel Platz vorhanden. Bei der versenkten Montage des Hochtöners wird die Membran des Tiefmitteltöners zur Schallführung. Dies hat den Vorteil, dass sich der Wirkungsgrad des Hochtöners im unteren Frequenzbereich erhöht und eine gewisse Richtwirkung eintritt, womit die unterschiedlich grossen Membranen besser in alle Richtungen zusammenarbeiten. Zum Verständnis: Jede Membran beginnt ab einer Frequenz, deren Wellenlänge in etwa dem doppelten Membrandurchmesser entspricht, kontinuierlich zu richten. Ein 13-cm-Tieftöner richtet somit ab 1300 Hz, ein 20-cm-Tieftöner schon ab 850 Hz, ein 2-cm-Hochtöner jedoch erst ab 8500 Hz.
Die Schwierigkeiten dieser Konstruktion bestehen darin, dass der knappe Platz die Leistungsfähigkeit und damit den maximalen Schalldruck des Hochtöners begrenzt. Zudem muss die Membranform des Tiefmitteltöners gleichzeitig eine hohe Steifigkeit, aber auch eine gute Schallführung gewährleisten. Sobald sich die Membran stärker bewegt, etwa wenn auch tiefe Frequenzen übertragen werden, wird das Signal des Hochtöners moduliert. Die Modulationen fallen jedoch fast weg, wenn das Koaxial-Chassis auf den Mittel-Hochtonbereich begrenzt wird und der Bass mit separatem Chassis betrieben wird. KEF hat für alle konstruktiven Probleme hartnäckig immer wieder bessere Lösungen erarbeitet.
Koaxiale Lautsprecher mit hohem Wirkungsgrad: Altec und Tannoy
Die US-Firma Altec begann im Jahr 1943 mit der Entwicklung des ersten koaxialen Lautsprechers Altec Duplex. Die Leitung oblag Jim Lansing, dessen Firma Altec kaufte. Die Motivation war, einen für damalige Verhältnisse kompakten Monitor für Radiostationen zu bauen, weil die bisherigen Mehrwege-Lautsprecher zu gross waren. Man verwendete einen 38-cm-Tiefmitteltöner und baute für den Hochtonbereich einen 5-cm-Kompressionstreiber mit einem Hornansatz ins Zentrum. Diesem setzte man einen multicellularen Hornvorsatz vor, um den Schall unabhängig vom Tiefmitteltöner definiert abzustrahlen.
Die Verwendung von leichten, grossen Membranen und dem Hochtonhorn erlaubt einen hohen Wirkungsgrad, was bei den damals verfügbaren Verstärkerleistungen zwingend war. Die Hochtonmembran war dadurch aber hinter dem Tiefmitteltöner zurückgesetzt. Das erste im grösseren Stil gebaute Produkt mit den damals neusten Alnico-Permanentmagneten erschien 1944 unter dem Namen Duplex 604 und wurde ein grosser Erfolg. Es fand in vielen Radiostationen und Aufnahmestudios Einzug. Heute werden für gut erhaltene Exemplare von Vintage-Fans hohe Preise bezahlt.
Die britische Firma Tannoy entwickelte kurze Zeit später, im Jahr 1947, ihre eigene koaxiale Version: das Dual-Concentric-Lautsprecherchassis. Dieses ähnelt dem Altec stark, jedoch fehlt der Hornvorsatz. Die Membran des Tiefmitteltöners ist zugleich die Schallführung. Die grosse Membran des Tiefmitteltöners zusammen mit dem Hochtonhorn bündeln die Frequenzen kontinuierlich, aber verstärkt gegen hohe Frequenzen hin.
Um den hohen Wirkungsgrad im Bass beizubehalten und die Auslenkung der Membran zu minimieren, werden diese gerne als Backloaded-Hornkonstruktionen gebaut. Tannoy baut dieses System bis heute erfolgreich in verschiedenen Grössen für den professionellen und privaten Bereich.
Tobian Sound Systems, Live Act Audio, Swissonor: Reverenz an die Ahnen
Gleich drei Lautsprecherhersteller im Klangschloss gehen konstruktiv auf die Ahnen von Altec und Tannoy zurück, entwickelten die Ur-Ideen aber weiter und nutzen moderne Entwicklungs- und Fertigungsmethoden. Was sie mit den Ahnen verbindet, ist der Wunsch, dank möglichst hohem Wirkungsgrad – verbunden mit dem koaxialen Prinzip – eine unmittelbare, richtige Wiedergabe zu realisieren und auch mit Röhrenverstärkern, die nur wenige Watt zur Verfügung stellen, arbeiten zu können. Was damals notwendig war, ist heute ein Luxus.
Die Lautsprecher von Tobian Sound Systems und Swissonor sind an das Altec-Prinzip angelehnt. Relativ grosse aber leichte Tiefmitteltöner arbeiten auf grossvolumige Gehäuse in effizienten Reflex- oder Hornkonstruktionen. Die Hornvorsätze für die Hochtöner sind eigens gestaltete Constant-Directivity-Hörner (Konstante Richtwirkung über den Frequenzbereich). Die Membranen befinden sich anders als bei den Ahnen in derselben Ebene wie die Antriebe der Tiefmitteltöner (koplanar).
Live Act Audio entwickelt das Tannoy-Prinzip weiter mit hohem Materialeinsatz, modernen Entwicklungstools und aufwändiger Fertigung. Die Topmodelle lagern den Bass zudem aus, womit sie das Koax-Chassis entlasten und Modulationen für das Hochtonhorn eliminieren.
Breitbandlautsprecher mit dynamischen Lautsprechern: Swissonor
Der radikalste Weg, einen Lautsprecher zu bauen, ist der Breitbandlautsprecher. Er überträgt alle Frequenzen, kann dadurch auf Frequenzweichen verzichten, leidet nicht unter Zeitverzögerungen der einzelnen Wege und strahlt punktförmig ab. Insbesondere der Übergang im fürs Gehör sensibelsten Bereich zwischen 1 kHz bis 4 kHz entfällt.
Wie sein Urahn aus dem Jahre 1925 leidet er aber auch unter den Defiziten an den Frequenz-Enden. Die Kunst der Konstruktion und der Fertigung zeigt, wie weit man die Grenzen hinausschieben kann. Um den Frequenzbereich in den Tiefton zu erweitern, sind deshalb effiziente Gehäusekonstruktionen notwendig: entweder hoch abgestimmte Reflexgehäuse oder Backloaded-Hörner. Auch die Wandaufstellung als Verstärker ist meist zwingend. Für die Optimierung im Hochton wird gerne ein Schwirrkonus verwendet.
Swissonor zeigt mit einem Modell alle diese konstruktiven Prinzipien in Reinkultur.
Breitbandlautsprecher mit Biegewellenwandler: Manger
Unter den Breitbändern nimmt der Manger-Schallwandler eine Sonderstellung ein. Die Schwingspule treibt eine weiche Membran zu Biegeschwingungen an. Das Ziel ist, die Verzögerungswirkung eines jeden Masse-Feder-Systems (der dynamische Lautsprecher ist ein solches) zu überwinden und das Einschwingverhalten demjenigen in der Natur anzugleichen. Die Membrane strahlt zudem die Frequenzen mit zunehmender Höhe nur noch im zentralen Bereich ab, um Bündelungen zu reduzieren. Vor genau 50 Jahren wurde das Patent erteilt. Eine Beschreibung findet sich im folgenden Artikel avguide.ch.
Der Manger-Wandler muss im Tieftonbereich mit einem dynamischen Lautsprecher ergänzt werden und ist damit ein breitbandiger Mittelhochton-Lautsprecher. Der Übergang erfolgt dadurch aber in einem gehörmässig weniger kritischen Frequenzbereich.