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Obwohl seit der frühen Phase der Audio-Elektronik diverse Konzepte bereitstehen, wie Schallwandler und Elektronik zu einem Vorteilhaften Gesamtsystem - einem Aktivlautsprecher - verschmolzen werden können, hat sich die Trennung von Lautsprecher und Elektronik im HiFi-Bereich mit wenigen Ausnahmen gehalten.
Lautsprecherchassis mit eigenem VerstärkerBei aktiven Systemen erfolgt die Frequenzaufteilung der Lautsprecherzweige zwischen Vor- und Endstufe. Die einzelnen Wege des Lautsprechers werden nachfolgend von einer eigenen Endstufe angetrieben.
Ein Aktivlautsprecher ist daher grundsätzlich aufwendiger als sein "passiver" Artgenosse, da mehrere Endstufen benötigt werden. Ist die Elektronik jedoch bereits in den Lautsprecher integriert, sieht die Kostenrechnung für ein Aktivsystem allerdings schon wieder recht gut aus, da auf eine kostspielige externe Endstufe verzichtet werden kann.
In der Regel macht eine Einschaltautomatik die Handhabung benutzerfreundlich. In klanglicher Hinsicht sind Aktivlautsprecher einem identischen passiven System puncto Durchzeichnung, Präzision und Impulsgenauigkeit oft überlegen. Der Wegfall der passiven Frequenzweiche macht sich in einer livehaftigen und unmittelbaren Wiedergabe bemerkbar.
Das Filter macht den UnterschiedDer Hauptnachteil von sogenannten passiven Lautsprechern liegt in der mit Kondensatoren, Spulen und Hochleistungswiderständen aufgebauten passiven Frequenzweiche.
Manchmal mutet es geradezu grotesk an, dass Verstärker und Elektronik für High-End-Anwendungen mit edelsten Bauteilen aufgebaut werden, und aus klanglichen Überlegungen sogar auf allfällige Kondensatoren im Signalweg verzichten wird, während die nachfolgenden Bauteile einer passiven Lautsprecherfrequenzweiche mit riesigen Kondensatoren und Spulen aufgebaut werden, die sich prinzipbedingt aufgrund ihrer hohen Werte klanglich negativ auswirken müssen.
Auch eine aktive Frequenzweiche benötigt Kondensatoren, sofern sie nicht rein digital realisiert wurde, nur kann eine dem Verstärker vorgeschaltete Aktivweiche auf hochwertige Typen mit geringer Toleranz von 1 % und deutlich besseren Eigenschaften zurückgreifen, währenddem für passive Weichen infolge der niedrigen Lautsprecherimpedanz und des hohen Stromflusses grosse Kapazitätswerte mit Toleranzbereichen von 10 % nötig werden. Auf die in jedem Fall stark klangbeeinflussenden Spulen kann in einer Aktivweiche glücklicherweise ganz verzichtet werden.
Eine Aktivweiche wird um spannungsverstärkende Bauteile wie Transistoren, Operationsverstärker und - wenn auch selten - Röhren aufgebaut, während eine passive Weiche lediglich eine Pegelabsenkung vornehmen kann.
Zeit- und phasenrichtigEin grundsätzliches Problem von Mehrweglautsprechern besteht in der zeitlich versetzten Schallabstrahlung von Hoch- und Tieftöner, wodurch sich einerseits eine Auslöschung und Phasenverschiebung im Übergangsbereich ergibt und anderseits das Gehör durch die nacheinander eintreffenden Klangereignisse irritiert wird.
Besitzt der Lautsprecher vier oder fünf Wege, verschärft sich das Problem zusätzlich. Die zeitlich versetzte Abstrahlung kann zwar durch eine mechanisches Zurücksetzen des Hochtöners kompensiert werden. Bei grösseren Lautsprechern liegt die erforderliche Distanz jedoch schnell bei mehreren Zentimetern und die vorstehenden Kanten der Schallwand produzieren unerwünschte Reflexionen.
Mit sogenannten Allpass-Schaltungen lassen sich relativ einfach elektronische Verzögerungsglieder konstruieren, welchen den Chassisversatz kompensieren, ohne die Vorteile einer planen Schallwand aufzugeben. Grundsätzlich können Allpass-Glieder auch rein passiv aufgebaut werden wie in einigen älteren KEF-Lautsprechern, allerdings nur mit beträchtlichem Aufwand an Bauteilen und den diesbezüglichen oben erwähnten Nachteilen.
Seit die Herren Lipshitz und Vanderkoy Mitte der achtziger Jahren im Journal of Audio Engineering einen Artikel über Filter mit linearer Phase und hoher Flankensteilheit veröffentlichten, geht der Begriff der Subtraktivweiche durch die Fachwelt. Während herkömmliche Filter zweiter und höherer Ordnung zwangsläufig zu einer Phasendrehung führen und damit sowohl das Abstrahl- als auch das Impulsverhalten beeinträchtigen, besitzen Subtraktivfilter einen linearen Phasengang und nur eine minimale Zeitverzögerung. Mit einem Subtraktivfilter wird daher eine stark verbesserte Abstrahlcharakteristik erreicht.
Ein Klangvergleich zwischen einem herkömmlichen Filter und einer Subtraktivweiche offenbart die Vorteile auch gehörmässig recht eindrücklich. Subtraktivweichen können sowohl mit analogen Schaltungen oder rein digital wie beispielsweise in den AED Lautsprecher von Roger Schultheiss realisiert werden. Mit einem passiven Filter lassen sich hingegen keine Subtraktivweichen aufbauen.
Extra TiefbassWährend die Wiedergabe des Audio-Spektrums im Hochtonbereich keine Probleme bereitet, setzt die Mechanik der Tiefbasswiedergabe recht enge Grenzen. Unterhalb 50Hz ist von einem Lautsprecher mittlerer Grösse kaum noch Schallpegel zu erwarten, obwohl im Tiefbasskeller theoretisch noch 1 ½ Oktaven an Klanginformationen vorhanden wären.
Ein Aktivlautsprecher bietet nun diverse Möglichkeiten, die Bandbreite im Bassbereich des Lautsprechers bei gleicher Baugrösse zu erweitern. Bereits Thiele hat in seinem wegweisenden Artikel über Bassreflexlautsprecher 1971 die Verwendung eines Hochpassfilters für die Erweiterung des Bassbereichs und die Reduzierung der Auslenkungen unterhalb der Übertragungsgrenze empfohlen.
Die Vergrösserung der Bandbreite beläuft sich im Rahmen von einer halben bis zu einer ganzen Oktave. Als angenehmer Nebeneffekt werden zusätzlich die massiven Auslenkungen von Bassreflexlautsprechern im subsonischen Bereich unterbunden, was insbesondere bei Heimkino-Anwendungen dem Schutz der Lautsprecher zugute kommt.
Der schaltungstechnische Aufbau eines aktiven Hochpassfilters ist vergleichsweise simpel, und auch der Bassbereich von passiven Lautsprecher kann durch eine vor der Endstufe eingeschlaufte Filterstufe erweitert werden.
Noch einen Schritt weiter gehen Aktivlautsprecher, welche mittels einer Regelungsschaltung den Amplitudenverlauf im Bassbereich erweitern. Mit der Regelung ist der Lautsprecher komplett in ein elektronisches Rückkopplungssystem eingebunden, wodurch sowohl die untere Grenzfrequenz als auch die Steilheit des Amplitudenabfalls über die Schaltung bestimmt werden können. Selbst die Verzerrungen des Lautsprechers, die infolge des mechanischen Systems auftreten, lassen sich mit der Regelungstechnik in hohem Masse reduzieren.
In der Praxis sind der elektronischen Regelung jedoch Grenzen gesetzt, da eine allzu grosse Erweiterung des Amplitudenverlaufs die Auslenkungen erhöht und damit den maximal erzielbaren Schalldruck einschränkt .
Hohe EffizienzDie landläufige Meinung besagt, Aktivlautsprecher sein zu aufwendig und teuer, da sie mehrere Endstufen benötigen. In der Realität werden an die Endstufen einer Aktivbox jedoch weit geringere Leistungsanforderung gestellt als an einen Verstärker für passive Lautsprecher.
Ein einfaches Beispiel für eine Zweiwegbox soll dies verdeutlichen: Angenommen in einem Musikstück sollen gleichzeitig ein tief- und hochfrequentes Signal wie Basspauke und Triangel mit Amplitudenspitzen von je 20V übertragen werden. Da sich die beiden Signale überlagern, wird vom Verstärker für den passiven Lautsprecher eine Spitzenspannung von 40V verlangt, was an einer 8-Ohm-Impedanz einer Leistung von 200 Watt entspricht. Im Aktivlautsprecher erfolgt die Verteilung der Frequenzanteile vor der Leistungsverstärkung, wodurch von den Endstufen für den Hoch- und Tieftonzweig lediglich 20V Spitzenspannung entsprechend 50 Watt für denselben Schalldruck verlangt werden. Der Leistungsbedarf pro Endstufe hat sich im obigen Beispiel also um Faktor 4 verringert. Auf eine passive Dreiwegbox angewandt verschiebt sich das Verhältnis nochmals zusätzlich zugunsten des Aktivlautsprechers.
Die bisweilen recht komplexen Impedanz einiger Passivlautsprecher mit grossen Phasendrehungen verlangt vom Verstärker zudem eine hohe Stabilität, welche oft lediglich durch eine rigorose Gegenkopplung erreicht wird. Die Endstufen für einen Aktivlautsprecher können daher unter ganz anderen Gesichtspunkten entwickelt werden, was sich in einem merklichen Preisvorteil niederschlägt.