Umfassender Überblick über Breitbandlautsprecher
Warum über Lautsprecherchassis sprechen? Ganz einfach, weil der Klang, den Sie hören, von ihnen ausgeht. Egal wie ausgefeilt das Gehäuse (oder ob man überhaupt eines verwendet) oder wie perfekt der Frequenzweichenaufbau ist – ohne ein gutes Chassis ist alles umsonst. Daher ist das Chassis entscheidend, das steht außer Frage.
Aber was ist schon so besonders an einem Mitteltöner, der weder richtig hoch noch richtig tief kommt? Viele behaupten jedoch, der Mitteltonbereich sei der wichtigste Frequenzbereich für die Klangwiedergabe – dem stimme ich voll und ganz zu. Wenn Sie jemals so gelangweilt wie ich waren und versucht haben, Cai Qin nur mit einem Hochtöner singen zu hören oder Paganinis Violinkonzerte nur mit einem Tieftöner, werden Sie die Vorzüge eines Mitteltöners schätzen lernen. Ich denke, Sie würden ebenfalls zustimmen: Wenn Sie gezwungen wären, Musik nur mit einem einzigen Chassis zu hören, würden Sie sich sicher für etwas entscheiden, das wie ein Mitteltöner aussieht. Der Grund ist einfach: Sie wissen (oder vermuten), dass es den mittleren Frequenzbereich wiedergibt, und genau dort liegt der Hauptbereich unseres menschlichen Gehörs sowie die musikalische Substanz.
Design von Mitteltönern
Das Konzept des „Ein-Finger-Jiang“-Hochtöners aus dem letzten Mal lässt sich auf den Mitteltonbereich ausdehnen, da jedes Schallwandlerchassis in die Membran, deren Aufhängung und das Antriebssystem zerlegt werden kann. Aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsfrequenzbereiche haben sich diese Komponenten im Laufe der Jahre jedoch zu bestimmten Größenverhältnissen entwickelt. Form und Material hingegen variieren stärker, insbesondere bei den Membranmaterialien, die in den letzten Jahren eine wahre Explosion an Varianten erlebt haben. Schauen wir sie uns im Detail an:
Papierkonusmembran
Dies ist wohl das älteste Material. Vereinfacht gesagt: Eine Papierbreisuspension wird in eine zuvor geformte, schüsselartige Netzgussform gegossen. Der Papierbrei setzt sich ab, und sobald die gewünschte Dicke erreicht ist, wird der Konus entnommen und getrocknet sowie weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen. So entsteht eine Papierkonusmembran. Die Zusammensetzung des Papierbreis – die Art und Länge der Fasern, Füllstoffe – sowie der Herstellungsprozess und die Nachbehandlung (z.B. Lufttrocknung oder Heißpressung) beeinflussen die Eigenschaften des Endprodukts und damit direkt dessen Klangverhalten. Dies sind natürlich streng gehütete Geschäftsgeheimnisse der Hersteller (Anm.1)...
(Anm.1: Vor Jahren las ich einen Artikel von Herrn Hong Huaigong, der aus erster Hand über die Papierkonusherstellung schrieb. Neben der Erkenntnis über die immense Komplexität der Papierkonusfertigung bewunderte ich zutiefst den Forschungsgeist von Herrn Hong. Meine hier knappen Sätze können die jahrzehntelange Erfahrung und das Wissen der Pioniere auf diesem Gebiet bei weitem nicht angemessen würdigen.)
Generell zeichnet sich der Klang von Papierkonen durch Natürlichkeit, Klarheit und eine entspannte, nicht nervöse Wiedergabe aus. Die unzähligen, miteinander verwobenen Fasern absorbieren Energie sehr effizient, was zu einer hervorragenden Dämpfung führt. Dadurch sind Resonanzen durch Teilresonanzen des Konus im oberen Arbeitsbereich weniger ausgeprägt, und der Abfall der Frequenzkurve erfolgt sanft. Dies ist eine sehr gute Eigenschaft, da sie einfache Frequenzweichen ermöglicht, ohne zusätzliche Korrekturen – die Systemintegration gelingt harmonisch. Außerdem bietet Papier eine gute Steifigkeit, was sich positiv auf das Impulsverhalten und die Detailauflösung im Höreindruck auswirkt. Lassen Sie sich nicht täuschen von alltäglichem weichem Papier: Bei geeigneter Form und Dicke kann Papier durchaus sehr steif sein. Zudem können Papierkone bei gutem Design und Herstellung extrem leicht sein, sogar über 15% leichter als die leichtesten Kunststoffmembranen. Verglichen mit modernsten Hochleistungsverbundwerkstoffen ist Papier zwar immer noch etwas schwerer, aber der Unterschied ist gering, was zu einem hohen Wirkungsgrad führt. Der Audax PR170 Serie 6,5-Zoll-Papierkonus-Mitteltöner erreicht beispielsweise einen Wirkungsgrad von 100dB/W.
Eine mögliche Schwäche von Papierkons ist die Beeinflussung durch Luftfeuchtigkeit. Durch Feuchtigkeitsaufnahme erhöht sich die Dichte (es wird schwerer) und die Steifigkeit nimmt ab (es wird weicher), was das Klangverhalten verändert. Ob diese Änderung gut oder schlecht ist, ist schwer zu sagen; Mitglieder der britischen Lowther-Community schwören, dass ihre Lautsprecher bei Regenwetter besser klingen.
Besorgniserregender ist vielleicht die Materialermüdung durch wiederholte Feuchtigkeitszyklen, die die ursprünglichen Eigenschaften verändern könnte. Doch viele antike Papierkonuschassis spielen auch nach Jahrzehnten noch hervorragend. Solche Veränderungen scheinen also eher geringfügig und allmählich zu sein, ähnlich einer Reifung in einen neuen stabilen Zustand, was für uns Anwender kein Problem darstellen sollte.
Viele in den letzten Jahren produzierte Papierkonuschassis wurden auf verschiedene Weise verbessert, um ihre Eigenschaften stabiler zu machen. Häufig sind Oberflächenbeschichtungen oder spezielle Papierrezepturen. Einige Hersteller behaupten sogar, wasserfeste Papierkone zu produzieren. Betrachtet man PA-Lautsprecher für den Außenbereich, scheint dies durchaus zuverlässig zu funktionieren. Natürlich, wie bereits erwähnt, können wir Laien hier meist nur staunen; die wirklichen Geheimnisse zu durchschauen, ist schwierig. Außerdem sollte man die lange Geschichte des Papierkonus nicht mit „veraltet“ gleichsetzen. Aus Sicht der gesamten Audiobranche stellen Papierkonuschassis nach wie vor den größten Anteil aller Chassistypen. Schauen Sie sich nur Ihren Fernseher, Ihr Kofferradio, Ihr Radiowecker oder Ihren Computer an – verwenden die meisten nicht kleine Lautsprecher mit Papierkonus? Sie sagen vielleicht: „He! Das ist doch kein Vergleich zu meinem High-End-Lautsprecher mit Hightech-Chassis!“ Aber betrachtet man es anders: Würde man diese „einfacheren Produkte“ mit Nicht-Papierkonuschassis ausstatten, wären sie garantiert noch schlechter und teurer. Das liegt daran, dass das Material Papierkonus eine ausgereifte Technologie darstellt und daher ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet. Darüber hinaus finden sich Papierkone in vielen legendären, zeitlosen Lautsprechern und auch in modernen Top-Modellen: WE/Altec 755A Breitband, Goodman Axiom 80 Breitband, Altec A5/A7, AR 3a, Lowther Breitband, TAD... die Liste ist lang. Erfahrene Enthusiasten sagen oft knapp: „Papierkonus, sonst nichts!“ Viele sind auch der Meinung, dass die Herstellung von Papierkonen eher eine Kunst als eine reine Wissenschaft ist, was ihren besonderen Reiz unterstreicht.
Kunststoffmembran
Dank der hochentwickelten petrochemischen Industrie sind Kunststoffprodukte allgegenwärtig. Günstige Rohstoffe und einfache Verarbeitung machen sie für viele Branchen attraktiv, natürlich auch für die Audiobranche.
Mit Kunststoffmembran sind hier konusförmige Membranen gemeint, die durch Spritzguss oder andere Verfahren aus einem Stück gefertigt werden. Das gebräuchlichste Material ist Polypropylen (PP). PP begegnet uns meist in Form von Mikrowellengeschirr oder Frischhalteboxen – ebenfalls spritzgegossene Produkte. Auch die gelben oder grauen Umreifungsbänder zur Verstärkung von Kartons bestehen aus Polypropylenfasern. Daraus können wir schließen: Dieses Material ist äußerst zäh. Die physikalische Eigenschaft vieler Polymerwerkstoffe ist ihre hohe Zähigkeit. Die riesigen, unregelmäßig angeordneten Molekülstrukturen absorbieren mechanische Energie sehr effizient, was zu einem guten Dämpfungsverhalten führt. Dieser Vorteil ähnelt dem des Papierkonus: Der Abfall im oberen Frequenzbereich erfolgt sanft. Neben dem natürlichen, weichen Klangbild ist die Möglichkeit, einfache Frequenzweichen niedriger Ordnung zu verwenden, ein weiterer Pluspunkt. Diese guten Eigenschaften finden sich in vielen europäischen 2-Wege-Kompaktlautsprechern. Das von ProAc verwendete 6,5-Zoll-SCAN-Mitteltieftöner-Chassis mit transparenter PP-Membran ist ein hervorragendes Beispiel für diese Bauart.
Verglichen mit anderen Membranmaterialien hat PP jedoch eine eher geringe Steifigkeit und eine relativ hohe Masse. Auch wenn eine Frischhaltebox auf die Stirn geschlagen wehtut, bedeutet das nicht, dass es bei mikroskopisch kleinen, schnellen Bewegungen eine hohe Steifigkeit besitzt – genau diese Betriebsbedingungen sind aber für die Membranwahl entscheidend.
Die mangelnde Steifigkeit von PP führt bei schnellen Mikrobewegungen (im Hochtonbereich) dazu, dass die vom Schwingspulensystem erzeugte Energie nicht vollständig und gleichmäßig auf die gesamte Membran übertragen wird – es kommt zu „Teilresonanzen“ (Konusaufteilung). Obwohl die gute Dämpfung diese Resonanzen eindämmt, ist eine perfekte Kolbenbewegung unmöglich, was zu relativ höheren Verzerrungen führt. Klanglich äußert sich dies in einem Übermaß an Weichheit bei gleichzeitig mangelnder Auflösung und Dynamik. 2-Wege-Lautsprecher, die auf einem 8-Zoll-Mitteltieftöner mit PP-Membran basieren, neigen daher im mittleren bis oberen Mittelfrequenzbereich oft zu einem trägen, dumpfen Klangbild. Die Ursache liegt genau hier. Wenn man im Bassbereich nicht zu gierig ist und kleinere Chassis wählt, kann man dieses Problem teilweise mildern. Denn das Problem verschärft sich: Um bei großer Fläche ausreichende Steifigkeit zu erreichen, ist eine relativ größere Materialstärke nötig, was die Gesamtmasse weiter erhöht. Daher finden sich auch keine Hochwirkungsgrad-Lautsprecher mit PP-Membranchassis.
Anders als Papierkonen haben PP-Membranen zwar keine Probleme mit Feuchtigkeitsaufnahme, aber ihre Eigenschaften können sich mit der Temperatur ändern. Glücklicherweise sollte uns das nicht stören, denn ähnlich wie beim Papierkonus und der Luftfeuchtigkeit sind diese Veränderungen langsam und allmählich – also kein Grund zur Sorge!
Betrachtet man das Gesagte, scheint PP aufgrund seiner geringeren Steifigkeit und höheren Masse ungeeignet für Membranen zu sein. Es kommt jedoch darauf an, wie wir die verschiedenen Kompromisse austarieren. Wie das erwähnte SCAN-Chassis zeigt: Trotz der von mir kritisierten PP-Membran lassen sich damit sehr erfolgreiche Produkte mit hervorragender Gesamtleistung realisieren.
Oder man verbessert das Material aktiv, indem man PP mit Zusatzstoffen mischt, um seine Steifigkeit zu erhöhen. Dies führt tatsächlich zu einer gewissen Verbesserung, sodass die hergestellten Chassis in Dynamik, Verzerrungsrate, Detailauflösung und Wirkungsgrad Fortschritte zeigen. Hersteller wie Dynaudio und Infinity/Genesis verwenden derart behandelte Chassis. Obwohl die Zusatzstoffe und Verfahren unterschiedlich sind, sind die Ergebnisse deutlich spürbar.
Da petrochemische Rohstoffe und Spritzguss so praktisch sind, werden natürlich auch neue Materialien neben PP entwickelt, wie Bextrene, TPX oder Neoflex. Ihre chemische Zusammensetzung ist oft nicht genau bekannt. Sie sehen PP zwar ähnlich, bieten aber bessere Steifigkeit und geringere Masse, was zu besserer Dynamik und Auflösung führt. In den Prospekten der Lautsprecherhersteller werden Sie auf diese Materialien stoßen – prüfen Sie sie bei Gelegenheit.
Metallmembran
Wenn geringe Steifigkeit zu Einbußen bei Dynamik und Auflösung führt, sollte die Verwendung steifer Metallwerkstoffe für Membranen gute Ergebnisse bringen. Abgesehen von Kompressionstreibern für Hornlautsprecher sind Aluminium und seine Legierungen die am häufigsten für direkt abstrahlende Mittel- und Tieftöner verwendeten Metalle. Ihr größter Vorteil ist die hohe Steifigkeit, die innerhalb eines bestimmten Arbeitsbereichs keine Verformung zulässt. Das Ergebnis sind sehr geringe Verzerrungen und eine hervorragende Detailauflösung. Die Kehrseite der hohen Steifigkeit ist jedoch eine geringe interne Dämpfung. Wie beim „Ein-Finger-Jiang“-Hochtöner erwähnt, wird Energie nicht vom Membranmaterial selbst absorbiert. Daher entstehen bei Teilresonanzen (Konusaufteilung) deutlich ausgeprägte Resonanzspitzen im oberen Frequenzbereich, die ohne geeignete Gegenmaßnahmen leicht zu einem „metallischen“ Klang führen.
Unter „geeigneten Gegenmaßnahmen“ versteht man zunächst, diese Resonanzspitze im Frequenzweichen-Design möglichst stark zu dämpfen. Das bedeutet, die Resonanzspitze in den Sperrbereich oder außerhalb des Arbeitsbereichs des Chassis zu legen. Das Signal zum Chassis sollte keine Frequenzen enthalten, die die Hochfrequenzresonanz anregen. Dadurch wird die Resonanzspitze durch den Frequenzweichen „versteckt“ und wir hören keinen Metallklang. Um dies zu erreichen, ist meist eine Flankensteilheit von mindestens 12 dB/Oktave (zweiter Ordnung) nötig; 6 dB/Oktave (erster Ordnung) sind zu flach für eine effektive Unterdrückung. Verschiebt man die Trennfrequenz nach unten, schmälert man die nutzbare Bandbreite – kein idealer Ansatz. Daher sind eine steile Flanke und eine sorgfältige Wahl der Trennfrequenz bei Metallmembran-Chassis besonders wichtig.
Alternativ zur passiven Vermeidung kann man das Problem auch aktiv angehen, indem man die Membrandämpfung verbessert: Sandwich-Konstruktionen oder das Auftragen von Dämpfungsmaterial sind gute Methoden. Es gibt immer mehr solche Produkte auf dem Markt, darunter auch sehr erfolgreiche, wie das in der letzten Ausgabe von „Gründliche Recherche“ vorgestellte Elac oder das klanglich und preislich hochwertige Schweizer Ensemble.
Neben der schwierigen Beherrschung der Hochfrequenzresonanzen ist das Membrangewicht ein weiterer Nachteil. Aus Kostengründen gibt es noch keine Mitteltöner aus Titan. Daher haben Mittel- und Tieftöner mit Metallmembran zwar eine hervorragende Dynamik bei starker Ansteuerung, aber insgesamt einen eher niedrigen Wirkungsgrad und benötigen meist größere Verstärkerleistungen.
Synthetische Fasermaterialien
Es scheint, dass die fortschrittlichsten Materialien historisch gesehen oft zuerst für Waffen verwendet wurden – die größte Tragödie der kriegerischen Menschheit. Wäre es nicht friedlicher, sie für Audio einzusetzen, damit wir Musik genießen können? Jahre nachdem Bor-Kohlenstoff-Fasern und Waben-Sandwich-Strukturen in Kampfflugzeugen hervorragende Ergebnisse erzielten, fanden diese Materialien auch Einzug in die Audiotechnik.
Als Luftfahrtmaterialien vereinen sie natürlich die Vorteile geringen Gewichts und hoher Festigkeit. Sie können leichter als Papier und steifer als Metall sein, und ihre Festigkeit übertrifft nicht nur Aluminium bei weitem, sondern sogar Stahl (Anm.2) – ideal also für Lautsprechermembranen! Daher preisen Hersteller von Kevlar- oder Kohlefaserchassis ihre hohe Steifigkeit, geringe Masse und hohe Dämpfung an. Die ersten beiden Vorteile sind gegeben, die Eigendämpfung hängt jedoch von den Bedingungen ab und ist nicht unbedingt besser.
(Anm.2: Dies bezieht sich auf die besten Ergebnisse, die mit anderen Formgebungsverfahren erzielt werden können. Es bedeutet nicht, dass eine dünne Membran härter ist als Ihr Küchenmesser – das ist derzeit noch nicht möglich.)
Ohne geeignete Behandlung können diese hochsteifen Verbundwerkstoffe ähnliche Probleme wie Metallmembranen haben, nämlich Hochfrequenz-Teilresonanzen. Obwohl weniger ausgeprägt als bei Metall, existieren diese Resonanzen und können leicht störend wirken. Unbehandelt neigt der Klang im oberen Mittelton- und unteren Hochtonbereich zu Härte, die sich bei stärkerer Ausprägung in Schärfe äußert. Vor einigen Jahren las ich einen Testbericht, in dem der Autor durchaus kritische Anmerkungen zur Leistung eines Kevlar-Mitteltöners machte.
Mit verbesserter Dämpfung (z.B. durch Sandwich-Aufbau oder Beschichtungen) und einer geeigneten Frequenzweiche können diese Chassis jedoch eine hervorragende Detailauflösung, ein präzises Impulsverhalten, exzellente Makro- und Mikrodynamik bieten – und das bei minimalem Leistungsbedarf. Das Focal Audiom 7K mit seiner Kevlar-/Polymer-Schaum-Sandwich-Membran und Latexbeschichtung erreicht einen Wirkungsgrad von 98dB/W. Auch wenn das etwas weniger ist als die 100 dB/W des Audax-Papierkonus, ist es eine bemerkenswerte Leistung (Anm.3).
(Anm.3: Vergleicht man die Daten dieser beiden Chassis, fällt auf, dass der Magnet des Focal Audiom 7K deutlich größer ist (1132g vs. 880g) und die bewegte Masse geringer (7,3g vs. 9,1g). Trotzdem ist der Wirkungsgrad niedriger als beim „kleiner dimensionierten“ Audax. Das zeigt, dass viele andere Faktoren wie Nachgiebigkeit der Aufhängung, Design des Magnetkreises, Schwingspule, Membranform... voller Kompromisse und Geheimnisse sind.)
Neben den häufigeren Carbon- und Kevlar-Faser-Chassis kam vor einigen Jahren ein spezielles Verbundwerkstoff-Membran auf den Markt: HAD (High Definition Aerogel) von Audax. Es besteht aus Acrylpolymer-Gel und verschiedenen Synthesefasern (einschließlich Carbon und Kevlar) (Anm.4). Es bietet hervorragende Eigenschaften, messbar an einem sehr guten Impulsverhalten, extrem niedrigen Verzerrungen und einem sanften Abfall im Hochtonbereich ohne Resonanzspitzen. Die bisherigen Produkte haben zwar einen geringeren Wirkungsgrad als Papier- oder Kevlar-Chassis, was wahrscheinlich auf das Design des Magnetkreises zurückzuführen ist. Ihre anderen Qualitäten sind jedoch keinesfalls zu unterschätzen. Der von Stereophile-Kolumnist Martin Colloms für Swans entworfene 3-Wege-Allure verwendet dieses Chassis. Meine eigene kurze Hörerfahrung: Es klingt so entspannt und natürlich wie ein hochwertiger Papierkonus, aber mit einer moderneren Auflösung und Dynamik, ohne hörbare Eigenheiten – ein sehr erfolgreiches Chassis-Design (natürlich trägt auch die gelungene Systemintegration dazu bei).
(Anm.4: Der Herstellungsprozess dieser Gel-Faser-Mischung ist einzigartig. Vom Anfang bis zum Ende des Prozesses schrumpft das Gelvolumen auf ein Zehntel. Noch faszinierender: Während dieses Prozesses wachsen die langkettigen Polymer-Moleküle entlang der zuvor hinzugefügten Fasern, sodass ihre Ausrichtung kontrollierbar ist. Daraus resultieren die exzellente Steifigkeit und Eigendämpfung.)
Andere Materialien
Eigentlich gibt es neben den vier Hauptkategorien viele weitere leichte und feste Materialien für Lautsprechermembranen: Glasfaser, Zelluloidfaser, Graphitfaser, Bakelit, Seidenfaser, geschäumtes Polystyrol, verschiedene Kunststoffschäume und vakuumgesinterte Hochpräzisionskeramik... Viele davon sind vielversprechend, manche eignen sich für Hochtöner, andere für Mitteltöner, wiederum andere für Tieftöner, und einige sind breitbandfähig. Jedes hat seine Stärken. Sogar in Japan wurde, so hörte man, eine Membran entwickelt, bei der ein spezieller Pilz (Schimmel!) entlang einer Form „wächst“ und so einen Konus bildet! Angeblich übertrifft deren Natürlichkeit alle anderen Materialien. Ich vermute jedoch, dass solche Exoten schwer in Serie gehen werden – die Kosten (vor allem Zeitkosten) sind einfach zu hoch.
(Hier sei angemerkt: Viele Chassis-Membranen sind so gestaltet, dass man das Material nicht erkennen kann, oder sie sehen „ähnlich“ wie ein bestimmtes Material aus. Dies grenzt schon an Nachahmung. Als hilflose Verbraucher können wir nur vorsichtig sein.)
Magnetkreis-System
Nach dem Blick auf die verschiedenen Membranen wenden wir uns dem Magnetkreis-System zu. In den letzten beiden Ausgaben hat Herr Chen Yunshuang bereits verschiedene Magnetmaterialien vorgestellt, daher überspringe ich dies und konzentriere mich auf das Gesamtdesign des Magnetkreises. Streng genommen umfasst das Magnetkreis-System auch die Schwingspule, nicht nur den Magneten und die Polplatten, da sie zusammenwirken und im Design gemeinsam betrachtet werden müssen. Vereinfacht gesagt: Die Membran wird durch die Schwingspule bewegt, deren Bewegung durch die Wechselwirkung des durch den Stromfluss erzeugten Magnetfeldes mit dem statischen Feld des Magneten/der Polplatten entsteht – ein bekanntes Prinzip. Das Design der Schwingspule sowie die Breite und Länge des Luftspalts bieten viele Diskussionspunkte.
Schwingspulen-Design
Wie der Name sagt, ist die Schwingspule die Spule, die den Schall erzeugt. Sie besteht aus lackisoliertem Draht, der mit Spezialkleber dicht und gleichmäßig auf einen Spulenträger gewickelt ist. Der Draht kann aus Kupfer, Aluminium, Silber oder anderen Legierungen bestehen. Sein Querschnitt ist meist rechteckig oder sechseckig, um die Wickeldichte zu maximieren. Das bedeutet: Bei gegebener Spulenlänge (Anm.5) lassen sich mehr Windungen unterbringen. Mehr Windungen bedeuten eine stärkere magnetische Kraft, also eine bessere Antriebskraft, einen höheren Beschleunigungskoeffizienten der Membran und letztlich einen höheren Wirkungsgrad und mehr Dynamik. Bei Flachdraht-Spulen mit einem Querschnittsverhältnis von 1:5 (breit zu hoch) und Wicklung mit der schmalen Seite auf dem Träger, kann der Beschleunigungskoeffizient, Wirkungsgrad und Dynamik gegenüber Runddrahtspulen um 30% gesteigert werden.
(Anm.5: Spulenlänge meint die axiale Länge der gewickelten Spule, nicht die abgewickelte Drahtlänge.)
Der Druck, der durch das Wickeln der Spule auf den Träger ausgeübt wird, ist enorm. Ein einfaches Experiment: Wickeln Sie eine Schnur (Nähgarn, Angelschnur oder Zahnseide) mit etwas Kraft fest um Ihren Finger – nur zehn Windungen. Was passiert? Sie werden sie sicher nach wenigen Sekunden schnell wieder abwickeln wollen. Bei manchen Chassis kann der Gesamtdruck der straff gewickelten Spule auf den Träger tonnenweise betragen! Daher muss der Spulenträger extrem robust sein. Zudem muss er der Hitzeentwicklung in der Spule standhalten. Üblicherweise werden Aluminium (Legierung), Kapton oder andere leichte, feste und hitzebeständige Materialien für den Träger verwendet. Anspruchsvollere Hersteller unterziehen die fertige Spule mehrfachen Wärmebehandlungen für bessere Stabilität.
Jim Hunter von Klipsch erwähnte in einem „Speaker Builder“-Interview, dass sie einmal defekte Lautsprecher zur Reparatur erhielten: Ein Hochtönertreiber war aus dem geschmolzenen Kunststoff-Hornhals gefallen, was die enorme Hitzeentwicklung belegte. Doch beim Auseinanderbauen war die Spule selbst noch intakt!
Die Dimensionierung der Schwingspule ist ein Dilemma: Für hohe Antriebskraft, also hohen Wirkungsgrad und große Dynamik, wäre eine große Spule mit vielen Windungen ideal. Das erhöht jedoch das Gewicht und die Induktivität, was sich negativ auf Impulsverhalten und Hochtonwiedergabe auswirkt. Eine lange Spule bedeutet auch, dass nur ein Teil vom Magnetfeld im Luftspalt erfasst wird. Die Kontrolle über die Spule durch das Feld ist dann schwächer und anfälliger für Modulation durch das Feld der Spule selbst, was die Verzerrungen erhöht. Ist die Spule sehr klein, ist sie zwar leicht, aber die Antriebskraft ist zu schwach für guten Wirkungsgrad und Kontrolle, und die Belastbarkeit ist begrenzt. Daher muss die Größe der Spule einen optimierten Kompromiss mit der Membranfläche, -form und der Magnetkraft darstellen.
Magnet und Magnetkreis
Kommen wir zum Magneten und den Polplatten. Traditionell sind die Magnete in Lautsprecherchassis axial magnetisiert, d.h. die Pole sind parallel zur Achse des Hohlzylindermagneten ausgerichtet. Leitfähiges Material (Polplatten) lenkt dann die Feldlinien in den Luftspalt und schließt den Kreis. Für die Bewegung der Spule ist das radiale Magnetfeld im Luftspalt entscheidend – parallel zur Radiusrichtung, konvergent oder divergent. Die Gesamtfeldstärke und Flussdichte im Luftspalt hängen von der Stärke des Magneten ab, und diese wiederum von Art und Größe des Magneten.
Die meisten Chassis verwenden Ferritmagnete (Eisenoxidkeramik), da diese temperaturstabil sind, eine hohe Koerzitivfeldstärke (gegen Entmagnetisierung) besitzen, mechanisch robust und korrosionsbeständig sind – und vor allem kostengünstig. Der Nachteil: Um eine bestimmte Feldstärke zu erreichen, benötigt man ein großes Volumen und Gewicht. Daher sieht man bei Hochleistungschassis riesige Magnetstrukturen.
Bei Hochtönern oder Kompressionstreibern ist der Magnetdurchmesser immer deutlich größer als die Membran. Bei manchen 6-Zoll- bis 7-Zoll-Mitteltönern kann der Magnetdurchmesser fast so groß wie die Membran sein. Sogar bei professionellen 10- bis 12-Zoll-Mitteltieftönern gibt es Magnete mit Membrandurchmesser!
Eine hohe Magnetkraft ist wünschenswert, da sie Wirkungsgrad, Dynamik und Kontrolle verbessert. Abgesehen von einem imposanten Aussehen hat ein riesiger Magnet jedoch Nachteile, besonders für die Schallausbreitung. Der große Magnet blockiert direkt hinter der Membran den Weg der Rückwelle. Diese muss dann seitlich um den Magneten herum entweichen, wobei ein Teil direkt zur Membran zurückreflektiert wird. Ist das Chassis zusätzlich in einer dicken Schallwand montiert, verschärft sich das Problem: Der Abstand zwischen Membranrückseite und Magnet entspricht etwa der Wanddicke. Ohne besondere Maßnahmen wird die Rückwelle durch den verbleibenden schmalen Spalt „gepresst“. Die Membranrückseite ist dann starken Nahfeldreflexionen und heftigen Druckänderungen ausgesetzt, was Frequenzgang und Verzerrungen erheblich beeinträchtigt.
Verwendet man also Chassis mit besonders großen Magnetsystemen, muss die Innenseite der Schallwand bearbeitet werden, um Kanäle für den Abfluss der Rückwelle zu schaffen, wie es z.B. Thiel bei seinen Lautsprechern macht. Oder man verwendet dünne, aber stabile Metallschallwände, um das Problem zu umgehen.
Eigentlich steht auch das Design des Chassis-Korbes vor einem ähnlichen Problem. Alte, aus Stahlblech gepresste Körbe haben breite Stege. Stehen diese zudem nahe an der Membran, verstärken sie die Reflexion der Rückwelle und verursachen Klangfärbung. Neuere, aus Aluminium gegossene Körbe ermöglichen eine bessere Formgebung, die Stabilität, Ästhetik und geringe Klangfärbung vereint.
Oder man verwendet kleine, starke Magnete, um der Rückwelle genug Raum zu geben. Vor etwa fünf Jahren verwendete Vandersteen (Anm.6) in seinem 3-Wege-Lautsprecher speziell für Vifa gefertigte Mitteltöner mit kleinen Neodym-Magneten. Der Flagschiff-Lautsprecher Bishop von Wilson Benesch verwendet aufgrund eines speziellen, gegenläufigen (Isobaric) Bass-Designs nach außen zeigende Magnete. Neben neuesten, starken und kompakten Neodym-Eisen-Bor-Magneten sind die Polplatten strömungsgünstig abgerundet, und selbst der Korb hat bei hoher Stabilität eine minimale Projektionsfläche – eine rundum gelöste Antwort auf das genannte Problem. Das legendäre Breitbandchassis Lowther, seit Jahrzehnten auf dem Markt, adressiert das Problem ebenfalls sehr sorgfältig. Obwohl Lowther große Magnete verwendet, sind diese so strömungsgünstig wie möglich geformt, um Platz hinter der Membran zu schaffen. Die Korbstreben sind mit der schmalen Kante zur Schallrichtung ausgerichtet – die Anstrengungen zur Minimierung von Rückwellenbehinderung sind extrem.
Neben den genannten Problemen beeinflusst auch die Wechselwirkung zwischen der Schwingspule im Luftspalt und dem Magneten die Leistung. Streng genommen wirken Spule und Magnetkreis gegenseitig anziehend oder abstoßend. Da der Magnetkreis durch Korb und Schallwand fixiert ist, scheint es, als ob der Magnet die Spule antreibt.
(Anm.6: Das Designkonzept von Vandersteen ist sehr solide und sinnvoll. Die Kosten werden in die unsichtbaren Teile gesteckt, Gehäuse und Optik sind äußerst einfach und sparsam. Der Klang ist ausgewogen und musikalisch – ein guter Partner für Musikliebhaber. Leider ist die Formgebung weniger gefällig, weshalb sie bei hiesigen Händlern und Verbrauchern nie wirklich Anklang fanden.)
Daraus ergeben sich folgende Probleme: 1. Das von der Spule selbst erzeugte Feld wirkt dem Magneten entgegen (Gegenfeld), was ihn teilweise entmagnetisieren kann. Der Magnet muss diesem standhalten, damit Dynamik, Antriebskraft und Wirkungsgrad nicht leiden. Die Fähigkeit des Magneten, diesem Gegenfeld zu widerstehen, beeinflusst auch den Klang. Der bezaubernde Klang von Lautsprechern mit Alnico-Magneten im Mittelhochtonbereich hängt vermutlich damit zusammen.
2. Das Feld der Spule selbst stört das ursprünglich konstante Feld im Luftspalt und verursacht Verzerrungen. Dies kann durch verkupferte Polplatten oder eingefügte Kupfer-Kurzschlussscheiben behoben werden. Diese dämpfen die Feldmodulation und reduzieren Verzerrungen erheblich. Diese Technik verbessert besonders die Intermodulationsverzerrungen bei Mittel-/Tieftönern, da Basswiedergabe lange Auslenkungen erfordert, während gleichzeitig mittlere Frequenzen mit kurzen, schnellen Bewegungen wiedergegeben werden – eine komplexe Feldmodulation.
Das Dilemma des Magnetkreises vs. innovative Polarisationsrichtungen und Polplatten-Designs
Anfangs erwähnte ich, dass Magnete in Lautsprecherchassis traditionell axial magnetisiert sind, die Spule aber ein radiales Feld benötigt. Warum also nicht gleich den Magneten radial magnetisieren? Die Herstellung war schwierig und teuer, bis vor etwa vier, fünf Jahren erste Chassis mit radialer Magnetisierung vorgestellt wurden.
Welche Nachteile hat die traditionelle axiale Bauweise? 1. Größeres Volumen. 2. Schwierig, einen Luftspalt mit hoher Flussdichte und großer Länge zu realisieren. Das Volumenproblem wurde bereits besprochen. Schauen wir uns den Luftspalt genauer an.
Bei traditionellen Systemen entspricht die Länge des Luftspalts im Wesentlichen der Dicke der oberen Polplatte an der Stelle des Spalts. Unter gleichen Magnetbedingungen kann man zuerst die Luftspaltbreite verringern, um die Flussdichte zu erhöhen. Das erschwert jedoch die Montage der Spule und erhöht die Kosten. Zudem darf der magnetische Fluss in den Polplatten nicht gesättigt sein, was deren Material und Dicke beeinflusst.
Möchte man eine Kombination aus langem Luftspalt und kurzer Spule realisieren (für bessere Linearität bei großen Auslenkungen), steht man vor dem Problem reduzierter Flussdichte. Zusammen mit der kürzeren Spule sinkt der Wirkungsgrad stark. Obwohl diese Konfiguration eine bessere Leistungslinearität bietet, ist es extrem schwierig, gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Chassis wie die Altec 515 Serie oder die TAD 160X Serie nutzen genau diese kurze-Spule/langer-Luftspalt-Architektur und erreichen eine hervorragende Leistungslinearität bei gleichzeitig ultrahohem Wirkungsgrad – eine beeindruckende technische Meisterleistung.
Verwendet man radial magnetisierte Magnete, lässt sich ein Magnetkreis mit hoher Flussdichte und langem Luftspalt leichter realisieren (die Kosten sind immer noch hoch, aber die physikalischen Kompromisse sind geringer). Die Länge des Luftspalts mit gleichbleibender Flussdichte kann ein Vielfaches der traditionellen Bauweise betragen, was bedeutet, dass der lineare Hub des Chassis um ein Vielfaches größer ist! Die Verzerrungen bei hohem Schalldruck sind daher extrem gering. Dies scheint ideal für die Basswiedergabe. Es gibt bereits solche Produkte, z.B. einen 18-Zoll-Tieftöner für den Profibereich (Anm.7), dessen maximaler linearer Schalldruck angeblich bereits unerträglich für das menschliche Ohr ist – bei immer noch sehr geringen Verzerrungen!
(Anm.7: Aura Sound 1808. Achtung: Nicht zu verwechseln mit der gleichnamigen Submarke von B&W!)
Leider gibt es bisher noch keine Mitteltöner mit dieser Bauweise. Obwohl Mitteltöner keinen langen Hub benötigen, würde diese Architektur kleine, sehr starke Magnete ermöglichen – zwei große Vorteile auch für die Mitteltonwiedergabe. Sicherlich existiert so etwas bereits in den Laboren einiger Hersteller. Bald dürften Serienprodukte folgen – wir dürfen gespannt sein.
Einführung in Breitbandchassis
Hm? Sollte dieser Artikel nicht über Breitbandchassis handeln? Warum wurde dann so lange nur über Mitteltöner gesprochen?
Keine Sorge! Der Grund ist einfach: Die Herausforderungen der Breitbandwiedergabe sind so vielfältig, dass sie nicht auf einmal erklärt werden können. Daher beginne ich mit dem Mitteltöner und erweitere das Konzept nach oben und unten, um ein klareres Gesamtbild zu bekommen.
Denn die Eigenschaften eines idealen Lautsprecherchassis (egal ob Hoch-, Mittel- oder Tieftöner) sollten sein:
1. Geringe Verzerrung
2. Gute Leistungslinearität
3. Hoher Wirkungsgrad
4. Möglichst breiter, effektiver Arbeitsfrequenzbereich
Wenn wir Punkt 4 bis zum Äußersten treiben, erhalten wir ein Breitbandchassis.
In der nächsten Ausgabe werde ich beschreiben, wie man auf Basis eines Mitteltöners zu einem Breitbandchassis kommt. Die vielen Dilemmata und die cleveren Lösungen der verschiedenen Hersteller sind ebenfalls sehr spannend. Bleiben Sie gespannt!
Auf den ersten Blick scheint es nicht so kompliziert: Einfach einen Mitteltöner dazu bringen, etwas mehr Höhen und Bässe wiederzugeben, und schon hat man ein Breitbandchassis? Schauen Sie sich doch Auto-HiFi, Computerlautsprecher, Kofferradios oder Radiowecker an – überall findet man diese namenlosen „Breitband“-Chassis? Scheint ja nicht so besonders zu sein, viel Lärm um nichts!
So einfach ist es nicht! Wissen Sie, wie breit der Frequenzbereich dieser namenlosen Chassis überhaupt ist? Ich glaube, Sie hören es auch ohne Messdaten leicht heraus: Wenn solche Lautsprecher verständliche Stimmen wiedergeben, ist das schon gut. Trommeln und Becken sind oft nur zu erahnen, Bass und hohe Percussion verschwimmen im Nichts. Orgel? Obertöne von Streichern? Pianonachhall? Vergessen Sie es!
Was überhaupt als Breitbandwiedergabe gelten kann, finden Sie in der Randspalte erläutert. Als Nächstes besprechen wir die Probleme und Dilemmata, die das Design eines Chassis für den gesamten Frequenzbereich mit sich bringt.
Problem der Tiefenausdehnung
Optisch sind sich Konus-Mitteltöner und Tieftöner ähnlicher Größe (z.B. 6 oder 7 Zoll) sehr ähnlich. Allenfalls haben Tieftöner aufgrund des benötigten größeren Hubs breitere, weichere Sicken. Der Rest sieht „irgendwie“ gleich aus. Das ist jedoch nur eine Faustregel, kein universelles Gesetz.
Könnte man also einen 6-Zoll- bis 7-Zoll-Mitteltöner so modifizieren, dass er auch Bass wiedergibt? Wenn man nur irgendeinen Bass erzeugen will, ohne Rücksicht auf Pegel und Verzerrungen, dann ja. Generell lässt sich die untere Grenzfrequenz eines Chassis grob an seiner Freiluftresonanzfrequenz ablesen (Anm.1), üblicherweise als „fs“ bezeichnet.
Wie senkt man diese Frequenz? Akustische Impedanz (Anm.2), bewegte Masse, Magnetkraft und die Nachgiebigkeit der Aufhängung sind Schlüsselfaktoren. Die akustische Impedanz (kurz „Schallwiderstand“) hängt direkt von der Membranfläche und der Arbeitsfrequenz ab. Bei gleicher Größe, Direktabstrahlung und gleichem Frequenzbereich kann dieser Faktor als gleich angenommen und vernachlässigt werden (Das Konzept des Schallwiderstands ist entscheidend für Basswiedergabe und den Wirkungsgrad über die gesamte Bandbreite. Ein andermal mehr dazu). Konzentrieren wir uns also auf die anderen Faktoren.
Betrachten wir das Verhalten der Membran im Bassbereich grob: Im Wesentlichen ist es eine „langsame“ Hin- und Herbewegung, mit wenigen Zyklen pro Zeiteinheit – das ist Bass. Grundlegend gilt in der Physik: Bei gegebener Kraft ist die Beschleunigung eines Körpers umgekehrt proportional zu seiner Masse. Unter ansonsten gleichen oder ähnlichen Bedingungen haben Chassis mit höherer bewegter Masse daher eine niedrigere Freiluftresonanzfrequenz. Vergleicht man die Daten verschiedener Chassis, bestätigt sich dies meist.
Um die Freiluftresonanz eines Chassis zu senken, ist die einfachste Methode, die Membranmasse zu erhöhen. Das ist jedoch keine gute Idee, denn eine schwere Membran bedeutet zwangsläufig geringeren Wirkungsgrad und schlechtere Hochtonausdehnung. Dieser Weg scheint also blockiert. Als Nächstes könnten wir die externe Dämpfung der Membran reduzieren – hauptsächlich mechanische und elektrische Dämpfung. Beide Arten wirken als Bremskraft auf die Membranbewegung.
Ein Vergleich mit dem Fahrwerk eines Autos: Traditionelle amerikanische Straßenkreuzer haben oft sehr weiche Aufhängungen für Komfort. Vereinfacht gesagt: Niedrige Federraten und nachgiebige Stoßdämpfer. Diese Kombination hat eine niedrige Eigenfrequenz (Anm.3), die Unebenheiten der Straße „wie ein Schiff durch Wasser“ absorbiert, da diese Impulse kurzzeitig sind (hochfrequent). Lange Wellen (niederfrequent), wie Brückenschwingungen, lösen jedoch oft zwei bis drei langsame Auf- und Abbewegungen aus – die Eigenfrequenz des Systems wird angeregt.
Ähnlich kann man bei Lautsprecherchassis die Eigenfrequenz durch Erhöhung der Nachgiebigkeit der Aufhängung senken. Weniger Dämpfung senkt direkt die Resonanzfrequenz.
Auch dieser Ansatz birgt Probleme:
Mechanische Dämpfung: Bezieht sich auf die bremsende Wirkung der Sicke (Surround) und der Wellenführung (Spider) nahe der Verbindung von Membran und Spulenträger. Diese Aufhängung dämpft nicht nur die Gesamtbewegung der Membran, sondern unterdrückt auch Teilresonanzen (Konusaufteilung), besonders die Sicke. Ein Wechsel der Sicke verändert daher den Klangcharakter eines Chassis erheblich, da sich das Resonanzverhalten und das Maß der Klangfärbung ändern. Eine drastische Reduzierung der mechanischen Dämpfung zur Absenkung der Resonanzfrequenz erhöht die Klangfärbung, besonders im Mitteltonbereich. Daher ist Vorsicht geboten.
Elektrische Dämpfung: Bezieht sich auf die Kontrollkraft des Magnetfeldes auf die Schwingspule. Natürlich: Je stärker das Magnetfeld, desto größer die Antriebskraft und auch die Bremskraft. Starker Antrieb ist wünschenswert für hohen Wirkungsgrad und niedrige Verzerrungen. Die damit einhergehende hohe Dämpfung verhindert jedoch eine Absenkung der Resonanzfrequenz. Hier liegt das Dilemma klar auf der Hand, und wir müssen einen Kompromiss finden. Berücksichtigt man zusätzlich die Hochtonausdehnung, wird dieser Kompromiss noch schwieriger.
Problem der Hochtonausdehnung
Die Hauptfaktoren, die die Hochtonwiedergabe eines Chassis beeinflussen, sind ähnlich wie bei den Tiefen – „elektrische“ und „mechanische“ Faktoren –, allerdings anders gelagert. Mit „elektrischen Faktoren“ ist die induktive Last der Schwingspule gemeint, die ich bereits in früheren Artikeln erwähnt habe. Gehen wir nun ins Detail.
Wie der Name sagt, ist die Schwingspule eine Induktivität. Allein wäre sie eine Luftspule mit geringer, linearer Induktivität. Leider arbeitet die Spule innerhalb des Magnetkreises. Ohne Ausnahme befindet sich innerhalb der Spule der zentrale Polkern. Diese Anordnung bildet eine echte Eisenkernspule, was die Induktivität stark erhöht. Aufgrund der natürlichen Tiefpasswirkung von Induktivitäten werden Hochfrequenzsignale hier stark gedämpft. Schlimmer noch: Die relative Position der schwingenden Spule zum Polkern ändert sich ständig, was zu einer komplexen Wechselwirkung zwischen Induktivitätswert und Magnetfeld im Luftspalt führt. Dies moduliert sich gegenseitig stark, besonders bei hoher Lautstärke und breitbandiger Wiedergabe. Die Verzerrungen steigen dann stark an; klanglich äußert sich dies in Unschärfe, Rauheit, Verwaschenheit von Texturen und Details, zerfallenden Klangbildern und komprimierter Stereobühne. Abhilfe schaffen verkupferte Polkern oder eingefügte Kupferringe (Kurzschlussscheiben). Diese „kurzschließen“ das Magnetfeld, reduzieren die gegenseitige Modulation stark und senken die Induktivität der Spule erheblich. Dies verbessert sowohl die Hochtonausdehnung als auch die Verzerrungen.
Die „mechanischen Faktoren“ lassen sich mit grundlegenden physikalischen Prinzipien erklären: Kraft (F) ist Masse (m) mal Beschleunigung (a) (F = m * a). Beschleunigung ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit. Stellen Sie sich vor: Eine Membran muss während ihrer Vorwärtsbewegung abbremsen, am Ende des Hubs anhalten, dann beschleunigen und in die entgegengesetzte Richtung schwingen. Bei 20 kHz muss dieser gesamte Vorgang in 1/40.000 Sekunde ablaufen! Interessierte Leser können eine Auslenkung annehmen und die maximale Beschleunigung für eine halbe Sinusschwingung berechnen. Man muss nicht rechnen, um zu erkennen, dass eine Richtungsänderung um 180 Grad in 1/40.000 Sekunde eine enorme Beschleunigung erfordert!
Um solche hohen Frequenzen wiederzugeben, muss die Membran diese hohe Beschleunigung erreichen. Aus dem einfachen Gesetz ergeben sich nur zwei Wege: Die Membranmasse verringern oder die Antriebskraft erhöhen. Beides führt jedoch zu zahlreichen Dilemmata und Widersprüchen.
Dilemma der Membranmasse
Wie erwähnt, ist die einfachste Methode zur Absenkung der Resonanzfrequenz die Erhöhung der Membranmasse. Das ist leicht umzusetzen. Für Hochtonwiedergabe und Wirkungsgrad ist es jedoch keine gute Lösung. Können wir die Sache also umgehen und das Chassis im Bassbereich eine „schwere“ Membran „sehen“ lassen, während es im Hochtonbereich nur eine „leichte“ Membran „sieht“? Klingt seltsam?
Dies ist eine sehr raffinierte Technik im Design von Breitbandchassis: die „mechanische“ Frequenzweiche. Praktisch bedeutet dies: Bei tiefen Frequenzen bewegt sich der gesamte Konus. Mit steigender Frequenz führen Teilresonanzen (Konusaufteilung) dazu, dass die schwereren, akustisch höher belasteten äußeren Bereiche „nicht mehr folgen können“. Dann bewegt sich nur noch der innere Bereich mit der Spule. Die „effektiv bewegte“ Masse dieses „lokalen“ Bereichs ist natürlich viel geringer als die des gesamten Konus. So ändert sich die „tatsächlich wirksame“ bewegte Masse des Konus mit der Frequenz. Auf diese Weise kann sowohl die Hoch- als auch die Tieftonwiedergabe erreicht werden.
Das klingt einfach, aber bei näherer Betrachtung wird die enorme Komplexität deutlich. Schon die Kontrolle, ab welcher Frequenz Teile der Membran „nicht mehr folgen können“, ist schwierig. Noch schwieriger ist es sicherzustellen, dass diese Teile „wenn sie schon nicht folgen können, dann auch stillhalten“ und nicht unkontrolliert schwingen, was nur zusätzliche Klangfärbung erzeugen würde. Zudem ändert sich bei echter Musikwiedergabe das Frequenzspektrum ständig. Unkontrollierte Teilresonanzen führen daher garantiert zu schrecklichen Verzerrungen!
Antriebskraft
Wie erwähnt, ist für eine gute Hochtonausdehnung eine starke Antriebskraft nötig, um die benötigte Beschleunigung der Membran zu erreichen. Die Antriebskraft hat zwei Quellen: Schwingspule und Magnetkreis. Mehr Windungen auf der Spule erzeugen eine stärkere magnetische Kraft für die Wechselwirkung mit dem Magnetkreis. Mehr Windungen bedeuten aber auch höhere Induktivität und mehr Masse – beides schadet dem Hochton. Dieser Weg führt also nicht weiter. Das Spulendesign erfordert einen Kompromiss. Hier ist „klein und fein“ offensichtlich besser als „groß und ungeeignet“.
Also müssen wir die Magnetkraft erhöhen. Zwar führt ein starkes Magnetfeld, wie erwähnt, zu starker Dämpfung, was die Absenkung der Resonanzfrequenz erschwert. Um jedoch die für die Hochtonwiedergabe benötigte Beschleunigung der „nicht leichten“ Membran (Anm.4) zu erreichen, muss die Magnetkraft deutlich stärker sein als bei normalen Mitteltönern, sonst gibt es kaum Unterschiede. Das Problem der Überdämpfung muss dann durch Reduzierung der mechanischen Dämpfung kompensiert werden.
Systemintegrationsproblem
Es gibt doch nur ein Chassis, wo ist da „System“-Integration? Hier bezieht sich Systemintegration auf zwei Aspekte: 1. Feinabstimmung des Frequenzgangs. 2. Design des Gehäuses/der Abstimmung. Beide hängen oft zusammen.
Theoretisch sollte ein ideales Breitbandchassis, in ein geeignetes Gehäuse eingebaut oder auf einer Schallwand montiert, direkt an einen Endverstärker angeschlossen werden und unverfälscht himmlische Klänge erzeugen. Aber nach all den beschriebenen Dilemmata, die Designer durch intensivstes Nachdenken und unter größten Anstrengungen lösen mussten, um überhaupt ein breitbandfähiges Chassis zu schaffen – erwarten Sie dann wirklich einen „kompromisslosen“, „perfekten“ Klang in jeder Hinsicht? Denken Sie daran: Bei Dilemmata ist der Ausweg meist ein „Kompromiss“.
Wenn Sie Stereophile kennen, werden Ihnen die Messdiagramme der getesteten Geräte vertraut sein. Typischerweise ist der Frequenzgang von Verstärkern zwischen 20Hz und 20kHz fast schnurgerade. Bei Röhrenverstärkern gibt es vielleicht an den Bandenden eine leichte Absenkung. Der Frequenzgang von Lautsprechern hingegen ist viel unebener – unregelmäßiger als mit einer kaputten Säge gezeichnet. Betrachtet man Wasserfalldiagramme (Nachhallverhalten) und den Frequenzgang außerhalb der Achse, wird es noch schlimmer: Seltsam geformte Berge und Täler über den gesamten Bereich.
Warum ist der Frequenzgang von Lautsprechern nicht so linear wie der von Verstärkern? Weil Lautsprecher mechanisch bewegte Bauteile sind. Bei Bewegung sind die Energieübertragung, -abgabe und -speicherung in den verschiedenen Teilen sehr komplex und miteinander verbunden. Unweigerlich kommt es zu Energieansammlungen oder gegenseitigen Auslöschungen: Energieansammlungen erzeugen Resonanzspitzen; Auslöschungen erzeugen Einbrüche – daher der unebene Frequenzgang. Im besten Fall sind die Unebenheiten sanft und gleichmäßig verteilt, um starke, lokalisierte Klangfärbung zu vermeiden. Sind die Schwankungen stark oder konzentriert, ist es schlecht: Starke Klangfärbung verzerrt nicht nur den Frequenzgang, die Energie der Resonanzspitze ist auch stärker und klingt lange nach (oft im Wasserfalldiagramm sichtbar). Dies verschleiert die Auflösung und Mikrodynamik in diesem und benachbarten Frequenzbereichen stark. Selbst mit einem schmalbandigen Kerbfilter (Notchfilter) zur Absenkung lässt sich der störende Nachhall oft nicht vollständig beseitigen.
Zudem zeigt sich der Dämpfungszustand eines Chassis oft im Verlauf des Frequenzgangs. Steigt der Hochtonbereich an, ist die Dämpfung im Mittel-/Bassbereich relativ zu hoch; klanglich: straff, schlank, etwas hell. Steigt umgekehrt der Bassbereich an, ist die Dämpfung dort relativ zu gering; klanglich: voller, weicher, dunkler.
Diese Ausführungen über die „Schattenseiten“ von Lautsprecherchassis sollen nur darauf hinweisen: Auch wenn legendäre Breitbandchassis jeweils in ihrem Bereich „Superlative“ darstellen, haben sie aufgrund unvermeidlicher Kompromisse ihre Stärken und Schwächen und sind selten ausgewogen perfekt. Selbst der Bau von Musikinstrumenten erfordert enormen Aufwand für perfekten Klang und ausgeglichene Lautstärke über den gesamten Bereich – umso mehr für das Lautsprecherchassis als „nachahmendes“ Werkzeug.
Ein Breitbandchassis kann also zwar den gesamten Frequenzbereich wiedergeben, aber nicht unbedingt linear.
Häufige Probleme sind: Ein breiter, sanfter Anstieg im Mitteltonbereich (manchmal mittelhoch, manchmal mitteltief), der klanglich eine gewisse Färbung verursacht. Oder ein sanfter Abfall im Hochtonbereich, der zu einem dunkleren Klangbild führt. Oder eine Überdämpfung mit Tiefenabfall, klanglich schlank und straff ohne Bassfundament.
Bei einem leichten Anstieg im Frequenzgang, der störend ist, kann ein Kerbfilter (Notchfilter) diesen ausgleichen. Ist das Problem nicht zu stark, führt dies meist zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Unterschätzen Sie diese Lösung nicht! Zwar steht jetzt etwas zwischen Endstufe und Chassis, aber es ist nur eine Frequenzgangsanpassung. Verglichen mit den komplexen Überlappungen und Phasenverzerrungen in mehrwege-gefilterten Lautsprechern ist dies viel einfacher. Solche Kerbfilter-Schaltungen finden sich übrigens in vielen Lautsprecherweichen – also nichts Ungewöhnliches.
Bei einem Hochtonabfall liegt es meist an einer relativ zu schwachen Magnetkraft oder einer zu großen Membran, die trotz „mechanischer Frequenzweiche“ zu träge ist – wie bei älteren 12-Zoll- oder gar 15-Zoll-Breitbandchassis. Hier hilft nur der Zusatz eines Hochtöners. Sie sagen: „Das ist doch kein echtes Breitbandchassis mehr!“ Urteilen Sie nicht vorschnell! Bei sorgfältiger Integration, bei der der Hochtöner erst ab 16-18 kHz (oder höher) mit einer flachen Flanke von -6 dB/Oktave einsetzt, können hervorragende Ergebnisse erzielt werden. Der Übergangsbereich liegt außerhalb des für das Ohr empfindlichen Mitteltonbereichs, und eine Frequenzweiche erster Ordnung erhält die Phasenkohärenz. So bleiben die meisten Vorteile eines Breitbandchassis erhalten. (Falls Sie zufällig Altec 412C besitzen und sich über fehlende Höhen ärgern – kontaktieren Sie mich bitte, ich bin sehr am Kauf interessiert. Sobald ich sie zum Klingen gebracht habe, kriegen Sie sie nicht mehr zurück!)
Beim letzten Fall, dem Bassabfall, haben diese Breitbandchassis eine stärkere Dämpfung. Der Bass klingt oft straff und kurz, Vorteil ist die Klarheit der Details. Hier kann eine geeignete Gehäuseabstimmung oder sogar eine Hornbelastung die akustische Impedanz im Bassbereich erhöhen und damit den Wirkungsgrad verbessern. Bei guter Umsetzung kann dies die beste Breitbandwiedergabe bieten.
Da wir über Gehäuseabstimmung sprechen, bleiben wir gleich beim Thema. Über 90% der käuflichen Lautsprecher sind geschlossen (Closed Box) oder bassreflex-geeicht (häufig als „Bassreflex“ bezeichnet). Abgesehen von wenigen Ausnahmen basieren Gehäuselautsprecher auf diesen beiden Grundprinzipien oder deren Ableitungen. Für Breitbandchassis sollte die Membranauslenkung im Bassbereich so gering wie möglich sein. Denn große Auslenkungen erhöhen nicht nur die Bassverzerrungen stark, sondern beeinträchtigen auch Mittel- und Höhen. Stellen Sie sich vor: Die kleinen, schnellen Bewegungen für Mittel-/Hochton „reiten“ auf den großen, langsamen Bewegungen für Bass. Die Schallquelle für Mittel/Hoch bewegt sich mal auf Sie zu, mal von Ihnen weg. Das führt zwangsläufig zu hohen Intermodulations- und Doppler-Verzerrungen. Zwar betrifft dies grundsätzlich alle Chassis, aber bei Breitbandchassis ist der Arbeitsbereich viel größer, sodass der Effekt stärker ins Gewicht fällt und minimiert werden muss.
Von den beiden Hauptbauarten ist der Bassreflex für Breitbandchassis besser geeignet. Diese Bauweise reduziert den Membranhub stark um die Abstimmfrequenz des Systems (typisch 30-50 Hz, je nach Design). Das senkt die Verzerrungen, erhöht die Belastbarkeit und verbessert den Wirkungsgrad. Daher liefern die meisten Breitbandchassis in solchen Gehäusen durchaus gute Ergebnisse.
Puristen argumentieren, dass ein so gutes Chassis durch Gehäuseresonanzen „verunreinigt“ würde, und verwenden daher keine Gehäuse, sondern montieren es auf offenen Schallwänden (Baffles). Chassis mit ausreichender Eigenbasswiedergabe eignen sich dafür und liefern den unverfälschtesten Klang, z.B. der WE/Altec 755C. Angeblich ist dessen Mittelton-Impulsverhalten blitzschnell, vergleichbar mit elektrostatischen Lautsprechern, aber mit besserer Dynamik. Diese Methode hat Nachteile: Sie benötigt viel Platz, denn die Bassausdehnung hängt von der Baffle-Fläche ab – mindestens 1m x 1m, nach oben offen. Auch der Wirkungsgrad und die Belastbarkeit sind geringer, die Basswiedergabe schwächer. Zudem macht die beidseitige Abstrahlung die Raumakustik komplexer, und zwei große Tafeln im Raum sind für viele schwer akzeptabel.
Schließlich die komplexeste Methode: Hornbelastung. Über Hörne werden wir ein andermal ausführlich sprechen, hier nur eine kurze Einführung. Vereinfacht ist ein Horn ein sich trichterförmig erweiterndes Rohr. Die breite Öffnung heißt „Hornmund“, die schmale „Hornhals“. Die Hornform bewirkt, dass der Schallwiderstand am Hals größer ist als am Mund. Dadurch entsteht zwischen der nahe am Hals montierten Membran und den Luftmolekülen ein hoher Druck – die Kopplung ist sehr effizient, der Wirkungsgrad hoch.
Rückwärts belastete Falthörner (Back-Loaded Horns) können bei gutem Design die Effizienz im mittleren Tiefton- und Bassbereich effektiv steigern. Dies kombiniert sich nahezu perfekt mit den zuvor erwähnten überdämpften Breitbandchassis. Chassis-Vorstellung
Es gibt zahlreiche Breitbandchassis verschiedener Hersteller. Ich kann nicht alle auflisten, daher hier einige bekannte Beispiele, darunter sowohl aktuelle als auch nur noch gebraucht erhältliche Modelle.
Jordan Watts
Sehr spezielles Design mit Aluminiummembran. Die Aufhängung verwendet statt der üblichen Wellenführung (Spider) eine besondere fadenförmige Aufhängung mit hoher Nachgiebigkeit. Meine Begegnung mit Jordan Watts begann mit den „Vasen“. Ein Händler räumte aus, und ich fand die „Vasen“ altmodisch und hübsch, also kaufte ich sie. Ohne große Erwartungen war ich überrascht: Der 6-Zoll-Alukonus bot durchaus „breitbandigen“ Klang. In meinem 10-qm-Raum war der Bass ansehnlich. Bei mittlerer Lautstärke und kleiner Besetzung war die Reinheit und der musikalische Ausdruck wirklich berührend. Nachteil: Etwas Färbung im unteren Mittelton, eine leicht wulstige Stelle. Nach etwa 30 Minuten Hörzeit nahm ich es jedoch nicht mehr wahr – vielleicht das Einspielen des Chassis oder mein Ohr gewöhnte sich. Außerdem ist der Wirkungsgrad zu niedrig; bei höherer Lautstärke leidet die Klarheit.
Jordan Watts bietet auch ein 2-Zoll-Modell mit Aluminiummembran. Abgesehen von begrenztem Bass und niedrigem Wirkungsgrad ist es ein Klassiker. Es glänzt besonders im Impulsverhalten (Messung und subjektiver Höreindruck: sehr klar und angenehm).
Diatone P-610 Serie
Ein historisch bedeutendes und hochgelobtes Chassis. Verwendet einen 6,5-Zoll-Papierkonus und Alnico-Magneten. Wirkungsgrad 90dB/W, Bass bis 50Hz – für ein Breitbandchassis sehr gut. Die mehreren erhabenen Rillen auf der Membranoberfläche dienen zur Kontrolle der Teilresonanzen, wie beschrieben, und ermöglichen so eine Art mechanische Frequenzweiche.
Die ursprüngliche P-610 wurde bis zur vierten Version produziert, 1993 eingestellt. Später gab es eine kleine limitierte Jubiläumsauflage, die kaum erhältlich ist. Ich hatte leider noch keine Gelegenheit, diese Lautsprecher zu hören. Verlässlichen Quellen zufolge könnte dieses Chassis das ausgewogenste Breitbandchassis sein – der gelungenste Kompromiss. Es soll einen sanften, süßen Klang, herausragende Abbildung, klare Mikrodynamik und einfache Handhabung in einem normalen Bassreflexgehäuse bieten. Zusammen mit Röhrenverstärkern mit direkt geheizten Trioden, besonders 2A3, soll es eine ideale Kombination sein. Probieren Sie es aus, wenn Sie interessiert sind!
WE/Altec 755A/C
Legendäres 8-Zoll-Papierkonus-Breitbandchassis mit hohem Wirkungsgrad. Die spezifizierten Werte der 755A sind 70Hz–13KHz, Belastbarkeit 8 Watt; die der 755C: 40Hz–15KHz/15 Watt. Auf der Membranvorderseite ist eine erhabene, ringförmige Rille sichtbar, wie eine schmale Sicke. Auch dies dient der Kontrolle der Teilresonanzen für eine mechanische Frequenzweiche.
Diese Chassis haben eine lange Geschichte. WE-Exemplare sind kaum noch zu finden, Altec-Exemplare habe ich nur einmal unvollständig gesehen. Optisch und konstruktiv scheinen sie nichts Besonderes zu bieten, sogar der Korb und der Magnet könnten Rückwellenprobleme verursachen. Doch ausländische DIY-Enthusiasten schwärmen von ihrer Reinheit und vergleichen sie mit Quad-Elektrostaten, jedoch mit besserer Dynamik. Der Geiger und Hobby-Bastler Joseph Esmilla beschrieb in „Sound Practices“ seine Erfahrungen mit Altec 755A/C auf extrem einfachen offenen Baffles, angetrieben von 2A3- oder 300B-Single-Ended-Verstärkern: Sie bieten eine makellose Musikalität.
Goodmans Axiom 80
Eine weitere „Legende“!
Ich besuche oft meinen Freund Li Jiande. Sein Zuhause ist praktisch ein „Museum für Audio-Ikonen“, ständig tauchen alte, seltsame und liebenswerte Dinge auf. Mit der Zeit gewöhnt man sich daran. Vor etwa einem Jahr entdeckte ich zufällig ein Lautsprecherchassis hoch auf einem Regal, nur den halben dunkelgrünen „Hintern“ (Magnet und Korb) sehend. Es kam mir bekannt vor, aber nicht wirklich – eher wie die Erinnerung an ein Bild oder Ähnliches. Ich fragte Bruder Li, was das sei. Ohne aufzublicken, sagte er lässig, eine Rauchwolke ausstoßend: „Nur Goodmans.“ GOODMANS!!! Sofort stürzte ich mich darauf, achtete nicht auf die WE-Endstufen auf dem Boden, kletterte hinauf, packte den dunkelgrünen Hintern, hob es ehrfürchtig herunter und betrachtete es andächtig. Je länger ich schaute, desto mehr dachte ich: „Dieses Ding muss vom Himmel sein!“, „Es sieht einfach großartig klingend aus“ (Anm.5). Mir schien, ich hörte bereits seinen Klang. Plötzlich war das Chassis weg, ehe ich es begriff. Bruder Li hatte das Axiom 80 an sich gerissen und drückte mir einen Mopp in die noch zitternde Hand: „Wisch den Sabber vom Boden!“
Ich wollte Geld zusammenkratzen, um diese Schätze zu kaufen. Doch dieses erste Treffen war auch das letzte. Kurz darauf gab Li Jiande sie aus irgendeinem „Unzufriedenheits“-Grund an den Vorbesitzer zurück. Die Nachricht traf mich wie ein Schlag. Ich konnte lange kein Wort sagen... Noch heute muss ich bei dieser Erinnerung den Stift weglegen und seufzen. Ach...
Das Axiom 80 war ein klassisches Breitbandchassis, das Goodmans in den 1950er-60er Jahren produzierte. Tatsächlich hatte Goodmans damals noch andere hochwirksame und gut klingende Breitbandchassis im Programm, aber das Axiom 80 ist das berühmteste.
Das Besondere am Axiom 80 ist die einzigartige Korbkonstruktion und Aufhängung. Der Magnet ist klein, wahrscheinlich Alnico. Leider finde ich keine genauen Konstruktionsunterlagen, um die Philosophie dahinter zu verstehen. Aber dieses Chassis strahlt einfach eine Aura von „Richtigkeit“ aus, das Gefühl, dass ein guter Lautsprecher so sein sollte.
Die spezifizierten Werte: Frequenzbereich 20Hz–20KHz (!!), Belastbarkeit 6W. Ich hatte noch nicht das Glück, den Klang zu hören. Aber sehr verlässlichen ausländischen Quellen zufolge scheinen die Werte zu stimmen! Wie bei Lowther ist jedoch ein hochwertiges rückwärts belastetes Horngehäuse nötig, um es optimal zu nutzen. Als Verstärker eignet sich am besten eine 2A3; eine 300B hat fast zu viel Leistung!
Lowther Serie
Die berühmte Lowther-Serie hat eine über 50-jährige Geschichte. Streng genommen geht sie auf die von P.G.A.H. Voigt in den 1920ern entwickelten dynamischen Lautsprecherchassis und sein Patent für den Doppelkonus aus den 1930ern zurück. Die Geschichte im Detail zu erzählen, wäre zu lang.
Bei Lowther denkt man sofort an den besonderen weißen Papierkonus und den formschönen, kraftflussoptimierten Korb. Einige Top-Modelle haben einen pilzförmigen zentralen Phasenstecker (Phase Plug).
Optisch auffällig ist die Doppelkonus-Konstruktion. Sie ermöglicht die volle Nutzung der mechanischen Frequenzweiche: Bei mittleren und tiefen Frequenzen bewegt sich der gesamte Konus (bzw. beide Konusse). Mit steigender Frequenz beginnt der äußere Konus, Teilresonanzen zu entwickeln, während der innere Konus weiterarbeitet. Der zentrale Phasenstecker verhindert, dass die Hochfrequenz-Schallwellen an der Innenseite des inneren Konus auslöschen, und verbessert die Abstrahlung. Der pilzförmige Phasenstecker bildet mit dem inneren Konus zusätzlich einen Schlitz, der die Hochton-Effizienz weiter erhöht – ideal für die Kombination mit frontbelasteten Hörnern. Kürzlich kam ein völlig neuer Phasenstecker auf den Markt, dessen Form weder kugel- noch pilzförmig ist (für mich sieht er aus wie ein UFO). Er soll die Hochtonwiedergabe erheblich verbessern und ist für alle Lowther-Chassis kompatibel.
Bei Material und Herstellung des Papierkonus setzt Lowther trotz gestiegener Lohnkosten noch immer auf Handarbeit: Zuschnitt und Verklebung von Flachpapier. Lowther ist überzeugt, dass nur so eine optimale, gleichmäßige Dicke erreicht werden kann, was bei einteilig aus Papierbrei geformten Konen unmöglich sei. Ungleichmäßige Dicke verursacht lokale Resonanzen und Klangfärbung; zu dicke Stellen erhöhen unnötig das Gewicht. Die Handwerkskunst bei der Herstellung dieses Doppelkonus ist außergewöhnlich hoch.
Beim Magnetkreis gibt es drei Materialien: Standard-Ferrit, Alnico und das neue Neodym. Obwohl alle Lowther-Chassis im Vergleich zu den meisten anderen stark und effizient sind, gibt es Unterschiede. Ferrit-Modelle sind die „günstigsten“, daher sind ihre Spezifikationen weniger beeindruckend. Das bedeutet aber nicht, dass sie schlechter klingen – im Gegenteil, sie sind oft am zugänglichsten und benötigen weniger Feintuning. Die Alnico-Serie ist die teuerste und stärkste. Das PM-4A erreicht eine magnetische Flussdichte von 2,4 Tesla – die höchste in einem jemals gebauten Chassis! Sein Hochton reicht bis 22kHz. Die neue Neodym-Serie soll die hohe Magnetkraft von Alnico bei geringerem Volumen und niedrigeren Kosten bewahren. Der Preisunterschied zu den Top-Alnico-Modellen ist jedoch gering. Die neue Serie bietet sehr moderne Spezifikationen und klangliche Eigenschaften. Ob ihr Klang und ihre Ausstrahlung denen von Alnico entsprechen, ist Geschmackssache.
Wichtig: Lowther benötigt rückwärts belastete Horngehäuse, um optimal zu klingen, da der maximale Membranhub nur 1mm beträgt. Das Horn hilft, ausreichend Bass zu erzeugen. Vor kurzem veröffentlichte jedoch der Lowther American Club Bassreflex-Entwürfe, die angeblich einen flachen Frequenzgang bis 40Hz bieten und im mittleren Bassbereich mehr Auflösung haben. Diese Diskussion bleibt abzuwarten.
Klanglich haben fast alle Lowther-Lautsprecher Gemeinsamkeiten: herausragende Präsenz, erstaunliche Detailauflösung und ein blitzschnelles Impulsverhalten. Messungen zeigen oft einen leichten Anstieg im mittleren Hochtonbereich und einen sehr schlechten Frequenzgang außerhalb der Achse – der Sweet Spot ist klein. Solch charaktervolle Lautsprecher polarisieren: Liebhaber schwören lebenslang darauf und lehnen andere ab; Kritiker finden, sie verfehlen sogar grundlegende HiFi-Kriterien und verstehen den Hype nicht.
In Europa gibt es in vielen Ländern Lowther-Clubs, deren Mitglieder natürlich treue Anhänger sind. Die Begeisterung breitete sich auch in den USA aus. Und die akribischen Japaner entdeckten diese sehr ihrem Geschmack entsprechenden Produkte natürlich schon früh. Jetzt kennen auch Sie Lowther – etwas Besonderes und relativ leicht erhältlich. Ob Sie dem Club beitreten, liegt bei Ihnen.
Schlussfolgerung
Breitbandlautsprecher können bei richtiger Anwendung eine tiefe musikalische Befriedigung bieten. Sie profitieren von phasenkohärenter Wiedergabe über den gesamten Frequenzbereich, kein Frequenzweichenfilter, das das wertvolle Audiosignal auffrisst, eine raffinierte Mikrodynamik und musikalische Ausdruckskraft sowie eine überlegene Abbildung der Stereobühne – alles Dinge, die Mehrwegelautsprecher nicht bieten können. Aber bitte verstehen Sie: Nichts ist perfekt. Wenn Sie Heavy Metal bei 120 dB hören, Ihre Lautsprecher regelmäßig im Gefechtslärm von Heimkino schmoren lassen oder oft Freunde zum lauten Mitsingen einladen – dann rate ich Ihnen von Breitbandchassis ab. Das wäre Qual für Sie und die Lautsprecher.
Verwenden Sie diese Schätze pfleglich, mit maßvoller Lautstärke für einfache Musik. Dann werden Sie die tiefste emotionale Berührung durch die Musik selbst erfahren – die Lautstärke spielt dann keine Rolle mehr.
Aber was ist schon so besonders an einem Mitteltöner, der weder richtig hoch noch richtig tief kommt? Viele behaupten jedoch, der Mitteltonbereich sei der wichtigste Frequenzbereich für die Klangwiedergabe – dem stimme ich voll und ganz zu. Wenn Sie jemals so gelangweilt wie ich waren und versucht haben, Cai Qin nur mit einem Hochtöner singen zu hören oder Paganinis Violinkonzerte nur mit einem Tieftöner, werden Sie die Vorzüge eines Mitteltöners schätzen lernen. Ich denke, Sie würden ebenfalls zustimmen: Wenn Sie gezwungen wären, Musik nur mit einem einzigen Chassis zu hören, würden Sie sich sicher für etwas entscheiden, das wie ein Mitteltöner aussieht. Der Grund ist einfach: Sie wissen (oder vermuten), dass es den mittleren Frequenzbereich wiedergibt, und genau dort liegt der Hauptbereich unseres menschlichen Gehörs sowie die musikalische Substanz.
Design von Mitteltönern
Das Konzept des „Ein-Finger-Jiang“-Hochtöners aus dem letzten Mal lässt sich auf den Mitteltonbereich ausdehnen, da jedes Schallwandlerchassis in die Membran, deren Aufhängung und das Antriebssystem zerlegt werden kann. Aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsfrequenzbereiche haben sich diese Komponenten im Laufe der Jahre jedoch zu bestimmten Größenverhältnissen entwickelt. Form und Material hingegen variieren stärker, insbesondere bei den Membranmaterialien, die in den letzten Jahren eine wahre Explosion an Varianten erlebt haben. Schauen wir sie uns im Detail an:
Papierkonusmembran
Dies ist wohl das älteste Material. Vereinfacht gesagt: Eine Papierbreisuspension wird in eine zuvor geformte, schüsselartige Netzgussform gegossen. Der Papierbrei setzt sich ab, und sobald die gewünschte Dicke erreicht ist, wird der Konus entnommen und getrocknet sowie weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen. So entsteht eine Papierkonusmembran. Die Zusammensetzung des Papierbreis – die Art und Länge der Fasern, Füllstoffe – sowie der Herstellungsprozess und die Nachbehandlung (z.B. Lufttrocknung oder Heißpressung) beeinflussen die Eigenschaften des Endprodukts und damit direkt dessen Klangverhalten. Dies sind natürlich streng gehütete Geschäftsgeheimnisse der Hersteller (Anm.1)...
(Anm.1: Vor Jahren las ich einen Artikel von Herrn Hong Huaigong, der aus erster Hand über die Papierkonusherstellung schrieb. Neben der Erkenntnis über die immense Komplexität der Papierkonusfertigung bewunderte ich zutiefst den Forschungsgeist von Herrn Hong. Meine hier knappen Sätze können die jahrzehntelange Erfahrung und das Wissen der Pioniere auf diesem Gebiet bei weitem nicht angemessen würdigen.)
Generell zeichnet sich der Klang von Papierkonen durch Natürlichkeit, Klarheit und eine entspannte, nicht nervöse Wiedergabe aus. Die unzähligen, miteinander verwobenen Fasern absorbieren Energie sehr effizient, was zu einer hervorragenden Dämpfung führt. Dadurch sind Resonanzen durch Teilresonanzen des Konus im oberen Arbeitsbereich weniger ausgeprägt, und der Abfall der Frequenzkurve erfolgt sanft. Dies ist eine sehr gute Eigenschaft, da sie einfache Frequenzweichen ermöglicht, ohne zusätzliche Korrekturen – die Systemintegration gelingt harmonisch. Außerdem bietet Papier eine gute Steifigkeit, was sich positiv auf das Impulsverhalten und die Detailauflösung im Höreindruck auswirkt. Lassen Sie sich nicht täuschen von alltäglichem weichem Papier: Bei geeigneter Form und Dicke kann Papier durchaus sehr steif sein. Zudem können Papierkone bei gutem Design und Herstellung extrem leicht sein, sogar über 15% leichter als die leichtesten Kunststoffmembranen. Verglichen mit modernsten Hochleistungsverbundwerkstoffen ist Papier zwar immer noch etwas schwerer, aber der Unterschied ist gering, was zu einem hohen Wirkungsgrad führt. Der Audax PR170 Serie 6,5-Zoll-Papierkonus-Mitteltöner erreicht beispielsweise einen Wirkungsgrad von 100dB/W.
Eine mögliche Schwäche von Papierkons ist die Beeinflussung durch Luftfeuchtigkeit. Durch Feuchtigkeitsaufnahme erhöht sich die Dichte (es wird schwerer) und die Steifigkeit nimmt ab (es wird weicher), was das Klangverhalten verändert. Ob diese Änderung gut oder schlecht ist, ist schwer zu sagen; Mitglieder der britischen Lowther-Community schwören, dass ihre Lautsprecher bei Regenwetter besser klingen.
Besorgniserregender ist vielleicht die Materialermüdung durch wiederholte Feuchtigkeitszyklen, die die ursprünglichen Eigenschaften verändern könnte. Doch viele antike Papierkonuschassis spielen auch nach Jahrzehnten noch hervorragend. Solche Veränderungen scheinen also eher geringfügig und allmählich zu sein, ähnlich einer Reifung in einen neuen stabilen Zustand, was für uns Anwender kein Problem darstellen sollte.
Viele in den letzten Jahren produzierte Papierkonuschassis wurden auf verschiedene Weise verbessert, um ihre Eigenschaften stabiler zu machen. Häufig sind Oberflächenbeschichtungen oder spezielle Papierrezepturen. Einige Hersteller behaupten sogar, wasserfeste Papierkone zu produzieren. Betrachtet man PA-Lautsprecher für den Außenbereich, scheint dies durchaus zuverlässig zu funktionieren. Natürlich, wie bereits erwähnt, können wir Laien hier meist nur staunen; die wirklichen Geheimnisse zu durchschauen, ist schwierig. Außerdem sollte man die lange Geschichte des Papierkonus nicht mit „veraltet“ gleichsetzen. Aus Sicht der gesamten Audiobranche stellen Papierkonuschassis nach wie vor den größten Anteil aller Chassistypen. Schauen Sie sich nur Ihren Fernseher, Ihr Kofferradio, Ihr Radiowecker oder Ihren Computer an – verwenden die meisten nicht kleine Lautsprecher mit Papierkonus? Sie sagen vielleicht: „He! Das ist doch kein Vergleich zu meinem High-End-Lautsprecher mit Hightech-Chassis!“ Aber betrachtet man es anders: Würde man diese „einfacheren Produkte“ mit Nicht-Papierkonuschassis ausstatten, wären sie garantiert noch schlechter und teurer. Das liegt daran, dass das Material Papierkonus eine ausgereifte Technologie darstellt und daher ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet. Darüber hinaus finden sich Papierkone in vielen legendären, zeitlosen Lautsprechern und auch in modernen Top-Modellen: WE/Altec 755A Breitband, Goodman Axiom 80 Breitband, Altec A5/A7, AR 3a, Lowther Breitband, TAD... die Liste ist lang. Erfahrene Enthusiasten sagen oft knapp: „Papierkonus, sonst nichts!“ Viele sind auch der Meinung, dass die Herstellung von Papierkonen eher eine Kunst als eine reine Wissenschaft ist, was ihren besonderen Reiz unterstreicht.
Kunststoffmembran
Dank der hochentwickelten petrochemischen Industrie sind Kunststoffprodukte allgegenwärtig. Günstige Rohstoffe und einfache Verarbeitung machen sie für viele Branchen attraktiv, natürlich auch für die Audiobranche.
Mit Kunststoffmembran sind hier konusförmige Membranen gemeint, die durch Spritzguss oder andere Verfahren aus einem Stück gefertigt werden. Das gebräuchlichste Material ist Polypropylen (PP). PP begegnet uns meist in Form von Mikrowellengeschirr oder Frischhalteboxen – ebenfalls spritzgegossene Produkte. Auch die gelben oder grauen Umreifungsbänder zur Verstärkung von Kartons bestehen aus Polypropylenfasern. Daraus können wir schließen: Dieses Material ist äußerst zäh. Die physikalische Eigenschaft vieler Polymerwerkstoffe ist ihre hohe Zähigkeit. Die riesigen, unregelmäßig angeordneten Molekülstrukturen absorbieren mechanische Energie sehr effizient, was zu einem guten Dämpfungsverhalten führt. Dieser Vorteil ähnelt dem des Papierkonus: Der Abfall im oberen Frequenzbereich erfolgt sanft. Neben dem natürlichen, weichen Klangbild ist die Möglichkeit, einfache Frequenzweichen niedriger Ordnung zu verwenden, ein weiterer Pluspunkt. Diese guten Eigenschaften finden sich in vielen europäischen 2-Wege-Kompaktlautsprechern. Das von ProAc verwendete 6,5-Zoll-SCAN-Mitteltieftöner-Chassis mit transparenter PP-Membran ist ein hervorragendes Beispiel für diese Bauart.
Verglichen mit anderen Membranmaterialien hat PP jedoch eine eher geringe Steifigkeit und eine relativ hohe Masse. Auch wenn eine Frischhaltebox auf die Stirn geschlagen wehtut, bedeutet das nicht, dass es bei mikroskopisch kleinen, schnellen Bewegungen eine hohe Steifigkeit besitzt – genau diese Betriebsbedingungen sind aber für die Membranwahl entscheidend.
Die mangelnde Steifigkeit von PP führt bei schnellen Mikrobewegungen (im Hochtonbereich) dazu, dass die vom Schwingspulensystem erzeugte Energie nicht vollständig und gleichmäßig auf die gesamte Membran übertragen wird – es kommt zu „Teilresonanzen“ (Konusaufteilung). Obwohl die gute Dämpfung diese Resonanzen eindämmt, ist eine perfekte Kolbenbewegung unmöglich, was zu relativ höheren Verzerrungen führt. Klanglich äußert sich dies in einem Übermaß an Weichheit bei gleichzeitig mangelnder Auflösung und Dynamik. 2-Wege-Lautsprecher, die auf einem 8-Zoll-Mitteltieftöner mit PP-Membran basieren, neigen daher im mittleren bis oberen Mittelfrequenzbereich oft zu einem trägen, dumpfen Klangbild. Die Ursache liegt genau hier. Wenn man im Bassbereich nicht zu gierig ist und kleinere Chassis wählt, kann man dieses Problem teilweise mildern. Denn das Problem verschärft sich: Um bei großer Fläche ausreichende Steifigkeit zu erreichen, ist eine relativ größere Materialstärke nötig, was die Gesamtmasse weiter erhöht. Daher finden sich auch keine Hochwirkungsgrad-Lautsprecher mit PP-Membranchassis.
Anders als Papierkonen haben PP-Membranen zwar keine Probleme mit Feuchtigkeitsaufnahme, aber ihre Eigenschaften können sich mit der Temperatur ändern. Glücklicherweise sollte uns das nicht stören, denn ähnlich wie beim Papierkonus und der Luftfeuchtigkeit sind diese Veränderungen langsam und allmählich – also kein Grund zur Sorge!
Betrachtet man das Gesagte, scheint PP aufgrund seiner geringeren Steifigkeit und höheren Masse ungeeignet für Membranen zu sein. Es kommt jedoch darauf an, wie wir die verschiedenen Kompromisse austarieren. Wie das erwähnte SCAN-Chassis zeigt: Trotz der von mir kritisierten PP-Membran lassen sich damit sehr erfolgreiche Produkte mit hervorragender Gesamtleistung realisieren.
Oder man verbessert das Material aktiv, indem man PP mit Zusatzstoffen mischt, um seine Steifigkeit zu erhöhen. Dies führt tatsächlich zu einer gewissen Verbesserung, sodass die hergestellten Chassis in Dynamik, Verzerrungsrate, Detailauflösung und Wirkungsgrad Fortschritte zeigen. Hersteller wie Dynaudio und Infinity/Genesis verwenden derart behandelte Chassis. Obwohl die Zusatzstoffe und Verfahren unterschiedlich sind, sind die Ergebnisse deutlich spürbar.
Da petrochemische Rohstoffe und Spritzguss so praktisch sind, werden natürlich auch neue Materialien neben PP entwickelt, wie Bextrene, TPX oder Neoflex. Ihre chemische Zusammensetzung ist oft nicht genau bekannt. Sie sehen PP zwar ähnlich, bieten aber bessere Steifigkeit und geringere Masse, was zu besserer Dynamik und Auflösung führt. In den Prospekten der Lautsprecherhersteller werden Sie auf diese Materialien stoßen – prüfen Sie sie bei Gelegenheit.
Metallmembran
Wenn geringe Steifigkeit zu Einbußen bei Dynamik und Auflösung führt, sollte die Verwendung steifer Metallwerkstoffe für Membranen gute Ergebnisse bringen. Abgesehen von Kompressionstreibern für Hornlautsprecher sind Aluminium und seine Legierungen die am häufigsten für direkt abstrahlende Mittel- und Tieftöner verwendeten Metalle. Ihr größter Vorteil ist die hohe Steifigkeit, die innerhalb eines bestimmten Arbeitsbereichs keine Verformung zulässt. Das Ergebnis sind sehr geringe Verzerrungen und eine hervorragende Detailauflösung. Die Kehrseite der hohen Steifigkeit ist jedoch eine geringe interne Dämpfung. Wie beim „Ein-Finger-Jiang“-Hochtöner erwähnt, wird Energie nicht vom Membranmaterial selbst absorbiert. Daher entstehen bei Teilresonanzen (Konusaufteilung) deutlich ausgeprägte Resonanzspitzen im oberen Frequenzbereich, die ohne geeignete Gegenmaßnahmen leicht zu einem „metallischen“ Klang führen.
Unter „geeigneten Gegenmaßnahmen“ versteht man zunächst, diese Resonanzspitze im Frequenzweichen-Design möglichst stark zu dämpfen. Das bedeutet, die Resonanzspitze in den Sperrbereich oder außerhalb des Arbeitsbereichs des Chassis zu legen. Das Signal zum Chassis sollte keine Frequenzen enthalten, die die Hochfrequenzresonanz anregen. Dadurch wird die Resonanzspitze durch den Frequenzweichen „versteckt“ und wir hören keinen Metallklang. Um dies zu erreichen, ist meist eine Flankensteilheit von mindestens 12 dB/Oktave (zweiter Ordnung) nötig; 6 dB/Oktave (erster Ordnung) sind zu flach für eine effektive Unterdrückung. Verschiebt man die Trennfrequenz nach unten, schmälert man die nutzbare Bandbreite – kein idealer Ansatz. Daher sind eine steile Flanke und eine sorgfältige Wahl der Trennfrequenz bei Metallmembran-Chassis besonders wichtig.
Alternativ zur passiven Vermeidung kann man das Problem auch aktiv angehen, indem man die Membrandämpfung verbessert: Sandwich-Konstruktionen oder das Auftragen von Dämpfungsmaterial sind gute Methoden. Es gibt immer mehr solche Produkte auf dem Markt, darunter auch sehr erfolgreiche, wie das in der letzten Ausgabe von „Gründliche Recherche“ vorgestellte Elac oder das klanglich und preislich hochwertige Schweizer Ensemble.
Neben der schwierigen Beherrschung der Hochfrequenzresonanzen ist das Membrangewicht ein weiterer Nachteil. Aus Kostengründen gibt es noch keine Mitteltöner aus Titan. Daher haben Mittel- und Tieftöner mit Metallmembran zwar eine hervorragende Dynamik bei starker Ansteuerung, aber insgesamt einen eher niedrigen Wirkungsgrad und benötigen meist größere Verstärkerleistungen.
Synthetische Fasermaterialien
Es scheint, dass die fortschrittlichsten Materialien historisch gesehen oft zuerst für Waffen verwendet wurden – die größte Tragödie der kriegerischen Menschheit. Wäre es nicht friedlicher, sie für Audio einzusetzen, damit wir Musik genießen können? Jahre nachdem Bor-Kohlenstoff-Fasern und Waben-Sandwich-Strukturen in Kampfflugzeugen hervorragende Ergebnisse erzielten, fanden diese Materialien auch Einzug in die Audiotechnik.
Als Luftfahrtmaterialien vereinen sie natürlich die Vorteile geringen Gewichts und hoher Festigkeit. Sie können leichter als Papier und steifer als Metall sein, und ihre Festigkeit übertrifft nicht nur Aluminium bei weitem, sondern sogar Stahl (Anm.2) – ideal also für Lautsprechermembranen! Daher preisen Hersteller von Kevlar- oder Kohlefaserchassis ihre hohe Steifigkeit, geringe Masse und hohe Dämpfung an. Die ersten beiden Vorteile sind gegeben, die Eigendämpfung hängt jedoch von den Bedingungen ab und ist nicht unbedingt besser.
(Anm.2: Dies bezieht sich auf die besten Ergebnisse, die mit anderen Formgebungsverfahren erzielt werden können. Es bedeutet nicht, dass eine dünne Membran härter ist als Ihr Küchenmesser – das ist derzeit noch nicht möglich.)
Ohne geeignete Behandlung können diese hochsteifen Verbundwerkstoffe ähnliche Probleme wie Metallmembranen haben, nämlich Hochfrequenz-Teilresonanzen. Obwohl weniger ausgeprägt als bei Metall, existieren diese Resonanzen und können leicht störend wirken. Unbehandelt neigt der Klang im oberen Mittelton- und unteren Hochtonbereich zu Härte, die sich bei stärkerer Ausprägung in Schärfe äußert. Vor einigen Jahren las ich einen Testbericht, in dem der Autor durchaus kritische Anmerkungen zur Leistung eines Kevlar-Mitteltöners machte.
Mit verbesserter Dämpfung (z.B. durch Sandwich-Aufbau oder Beschichtungen) und einer geeigneten Frequenzweiche können diese Chassis jedoch eine hervorragende Detailauflösung, ein präzises Impulsverhalten, exzellente Makro- und Mikrodynamik bieten – und das bei minimalem Leistungsbedarf. Das Focal Audiom 7K mit seiner Kevlar-/Polymer-Schaum-Sandwich-Membran und Latexbeschichtung erreicht einen Wirkungsgrad von 98dB/W. Auch wenn das etwas weniger ist als die 100 dB/W des Audax-Papierkonus, ist es eine bemerkenswerte Leistung (Anm.3).
(Anm.3: Vergleicht man die Daten dieser beiden Chassis, fällt auf, dass der Magnet des Focal Audiom 7K deutlich größer ist (1132g vs. 880g) und die bewegte Masse geringer (7,3g vs. 9,1g). Trotzdem ist der Wirkungsgrad niedriger als beim „kleiner dimensionierten“ Audax. Das zeigt, dass viele andere Faktoren wie Nachgiebigkeit der Aufhängung, Design des Magnetkreises, Schwingspule, Membranform... voller Kompromisse und Geheimnisse sind.)
Neben den häufigeren Carbon- und Kevlar-Faser-Chassis kam vor einigen Jahren ein spezielles Verbundwerkstoff-Membran auf den Markt: HAD (High Definition Aerogel) von Audax. Es besteht aus Acrylpolymer-Gel und verschiedenen Synthesefasern (einschließlich Carbon und Kevlar) (Anm.4). Es bietet hervorragende Eigenschaften, messbar an einem sehr guten Impulsverhalten, extrem niedrigen Verzerrungen und einem sanften Abfall im Hochtonbereich ohne Resonanzspitzen. Die bisherigen Produkte haben zwar einen geringeren Wirkungsgrad als Papier- oder Kevlar-Chassis, was wahrscheinlich auf das Design des Magnetkreises zurückzuführen ist. Ihre anderen Qualitäten sind jedoch keinesfalls zu unterschätzen. Der von Stereophile-Kolumnist Martin Colloms für Swans entworfene 3-Wege-Allure verwendet dieses Chassis. Meine eigene kurze Hörerfahrung: Es klingt so entspannt und natürlich wie ein hochwertiger Papierkonus, aber mit einer moderneren Auflösung und Dynamik, ohne hörbare Eigenheiten – ein sehr erfolgreiches Chassis-Design (natürlich trägt auch die gelungene Systemintegration dazu bei).
(Anm.4: Der Herstellungsprozess dieser Gel-Faser-Mischung ist einzigartig. Vom Anfang bis zum Ende des Prozesses schrumpft das Gelvolumen auf ein Zehntel. Noch faszinierender: Während dieses Prozesses wachsen die langkettigen Polymer-Moleküle entlang der zuvor hinzugefügten Fasern, sodass ihre Ausrichtung kontrollierbar ist. Daraus resultieren die exzellente Steifigkeit und Eigendämpfung.)
Andere Materialien
Eigentlich gibt es neben den vier Hauptkategorien viele weitere leichte und feste Materialien für Lautsprechermembranen: Glasfaser, Zelluloidfaser, Graphitfaser, Bakelit, Seidenfaser, geschäumtes Polystyrol, verschiedene Kunststoffschäume und vakuumgesinterte Hochpräzisionskeramik... Viele davon sind vielversprechend, manche eignen sich für Hochtöner, andere für Mitteltöner, wiederum andere für Tieftöner, und einige sind breitbandfähig. Jedes hat seine Stärken. Sogar in Japan wurde, so hörte man, eine Membran entwickelt, bei der ein spezieller Pilz (Schimmel!) entlang einer Form „wächst“ und so einen Konus bildet! Angeblich übertrifft deren Natürlichkeit alle anderen Materialien. Ich vermute jedoch, dass solche Exoten schwer in Serie gehen werden – die Kosten (vor allem Zeitkosten) sind einfach zu hoch.
(Hier sei angemerkt: Viele Chassis-Membranen sind so gestaltet, dass man das Material nicht erkennen kann, oder sie sehen „ähnlich“ wie ein bestimmtes Material aus. Dies grenzt schon an Nachahmung. Als hilflose Verbraucher können wir nur vorsichtig sein.)
Magnetkreis-System
Nach dem Blick auf die verschiedenen Membranen wenden wir uns dem Magnetkreis-System zu. In den letzten beiden Ausgaben hat Herr Chen Yunshuang bereits verschiedene Magnetmaterialien vorgestellt, daher überspringe ich dies und konzentriere mich auf das Gesamtdesign des Magnetkreises. Streng genommen umfasst das Magnetkreis-System auch die Schwingspule, nicht nur den Magneten und die Polplatten, da sie zusammenwirken und im Design gemeinsam betrachtet werden müssen. Vereinfacht gesagt: Die Membran wird durch die Schwingspule bewegt, deren Bewegung durch die Wechselwirkung des durch den Stromfluss erzeugten Magnetfeldes mit dem statischen Feld des Magneten/der Polplatten entsteht – ein bekanntes Prinzip. Das Design der Schwingspule sowie die Breite und Länge des Luftspalts bieten viele Diskussionspunkte.
Schwingspulen-Design
Wie der Name sagt, ist die Schwingspule die Spule, die den Schall erzeugt. Sie besteht aus lackisoliertem Draht, der mit Spezialkleber dicht und gleichmäßig auf einen Spulenträger gewickelt ist. Der Draht kann aus Kupfer, Aluminium, Silber oder anderen Legierungen bestehen. Sein Querschnitt ist meist rechteckig oder sechseckig, um die Wickeldichte zu maximieren. Das bedeutet: Bei gegebener Spulenlänge (Anm.5) lassen sich mehr Windungen unterbringen. Mehr Windungen bedeuten eine stärkere magnetische Kraft, also eine bessere Antriebskraft, einen höheren Beschleunigungskoeffizienten der Membran und letztlich einen höheren Wirkungsgrad und mehr Dynamik. Bei Flachdraht-Spulen mit einem Querschnittsverhältnis von 1:5 (breit zu hoch) und Wicklung mit der schmalen Seite auf dem Träger, kann der Beschleunigungskoeffizient, Wirkungsgrad und Dynamik gegenüber Runddrahtspulen um 30% gesteigert werden.
(Anm.5: Spulenlänge meint die axiale Länge der gewickelten Spule, nicht die abgewickelte Drahtlänge.)
Der Druck, der durch das Wickeln der Spule auf den Träger ausgeübt wird, ist enorm. Ein einfaches Experiment: Wickeln Sie eine Schnur (Nähgarn, Angelschnur oder Zahnseide) mit etwas Kraft fest um Ihren Finger – nur zehn Windungen. Was passiert? Sie werden sie sicher nach wenigen Sekunden schnell wieder abwickeln wollen. Bei manchen Chassis kann der Gesamtdruck der straff gewickelten Spule auf den Träger tonnenweise betragen! Daher muss der Spulenträger extrem robust sein. Zudem muss er der Hitzeentwicklung in der Spule standhalten. Üblicherweise werden Aluminium (Legierung), Kapton oder andere leichte, feste und hitzebeständige Materialien für den Träger verwendet. Anspruchsvollere Hersteller unterziehen die fertige Spule mehrfachen Wärmebehandlungen für bessere Stabilität.
Jim Hunter von Klipsch erwähnte in einem „Speaker Builder“-Interview, dass sie einmal defekte Lautsprecher zur Reparatur erhielten: Ein Hochtönertreiber war aus dem geschmolzenen Kunststoff-Hornhals gefallen, was die enorme Hitzeentwicklung belegte. Doch beim Auseinanderbauen war die Spule selbst noch intakt!
Die Dimensionierung der Schwingspule ist ein Dilemma: Für hohe Antriebskraft, also hohen Wirkungsgrad und große Dynamik, wäre eine große Spule mit vielen Windungen ideal. Das erhöht jedoch das Gewicht und die Induktivität, was sich negativ auf Impulsverhalten und Hochtonwiedergabe auswirkt. Eine lange Spule bedeutet auch, dass nur ein Teil vom Magnetfeld im Luftspalt erfasst wird. Die Kontrolle über die Spule durch das Feld ist dann schwächer und anfälliger für Modulation durch das Feld der Spule selbst, was die Verzerrungen erhöht. Ist die Spule sehr klein, ist sie zwar leicht, aber die Antriebskraft ist zu schwach für guten Wirkungsgrad und Kontrolle, und die Belastbarkeit ist begrenzt. Daher muss die Größe der Spule einen optimierten Kompromiss mit der Membranfläche, -form und der Magnetkraft darstellen.
Magnet und Magnetkreis
Kommen wir zum Magneten und den Polplatten. Traditionell sind die Magnete in Lautsprecherchassis axial magnetisiert, d.h. die Pole sind parallel zur Achse des Hohlzylindermagneten ausgerichtet. Leitfähiges Material (Polplatten) lenkt dann die Feldlinien in den Luftspalt und schließt den Kreis. Für die Bewegung der Spule ist das radiale Magnetfeld im Luftspalt entscheidend – parallel zur Radiusrichtung, konvergent oder divergent. Die Gesamtfeldstärke und Flussdichte im Luftspalt hängen von der Stärke des Magneten ab, und diese wiederum von Art und Größe des Magneten.
Die meisten Chassis verwenden Ferritmagnete (Eisenoxidkeramik), da diese temperaturstabil sind, eine hohe Koerzitivfeldstärke (gegen Entmagnetisierung) besitzen, mechanisch robust und korrosionsbeständig sind – und vor allem kostengünstig. Der Nachteil: Um eine bestimmte Feldstärke zu erreichen, benötigt man ein großes Volumen und Gewicht. Daher sieht man bei Hochleistungschassis riesige Magnetstrukturen.
Bei Hochtönern oder Kompressionstreibern ist der Magnetdurchmesser immer deutlich größer als die Membran. Bei manchen 6-Zoll- bis 7-Zoll-Mitteltönern kann der Magnetdurchmesser fast so groß wie die Membran sein. Sogar bei professionellen 10- bis 12-Zoll-Mitteltieftönern gibt es Magnete mit Membrandurchmesser!
Eine hohe Magnetkraft ist wünschenswert, da sie Wirkungsgrad, Dynamik und Kontrolle verbessert. Abgesehen von einem imposanten Aussehen hat ein riesiger Magnet jedoch Nachteile, besonders für die Schallausbreitung. Der große Magnet blockiert direkt hinter der Membran den Weg der Rückwelle. Diese muss dann seitlich um den Magneten herum entweichen, wobei ein Teil direkt zur Membran zurückreflektiert wird. Ist das Chassis zusätzlich in einer dicken Schallwand montiert, verschärft sich das Problem: Der Abstand zwischen Membranrückseite und Magnet entspricht etwa der Wanddicke. Ohne besondere Maßnahmen wird die Rückwelle durch den verbleibenden schmalen Spalt „gepresst“. Die Membranrückseite ist dann starken Nahfeldreflexionen und heftigen Druckänderungen ausgesetzt, was Frequenzgang und Verzerrungen erheblich beeinträchtigt.
Verwendet man also Chassis mit besonders großen Magnetsystemen, muss die Innenseite der Schallwand bearbeitet werden, um Kanäle für den Abfluss der Rückwelle zu schaffen, wie es z.B. Thiel bei seinen Lautsprechern macht. Oder man verwendet dünne, aber stabile Metallschallwände, um das Problem zu umgehen.
Eigentlich steht auch das Design des Chassis-Korbes vor einem ähnlichen Problem. Alte, aus Stahlblech gepresste Körbe haben breite Stege. Stehen diese zudem nahe an der Membran, verstärken sie die Reflexion der Rückwelle und verursachen Klangfärbung. Neuere, aus Aluminium gegossene Körbe ermöglichen eine bessere Formgebung, die Stabilität, Ästhetik und geringe Klangfärbung vereint.
Oder man verwendet kleine, starke Magnete, um der Rückwelle genug Raum zu geben. Vor etwa fünf Jahren verwendete Vandersteen (Anm.6) in seinem 3-Wege-Lautsprecher speziell für Vifa gefertigte Mitteltöner mit kleinen Neodym-Magneten. Der Flagschiff-Lautsprecher Bishop von Wilson Benesch verwendet aufgrund eines speziellen, gegenläufigen (Isobaric) Bass-Designs nach außen zeigende Magnete. Neben neuesten, starken und kompakten Neodym-Eisen-Bor-Magneten sind die Polplatten strömungsgünstig abgerundet, und selbst der Korb hat bei hoher Stabilität eine minimale Projektionsfläche – eine rundum gelöste Antwort auf das genannte Problem. Das legendäre Breitbandchassis Lowther, seit Jahrzehnten auf dem Markt, adressiert das Problem ebenfalls sehr sorgfältig. Obwohl Lowther große Magnete verwendet, sind diese so strömungsgünstig wie möglich geformt, um Platz hinter der Membran zu schaffen. Die Korbstreben sind mit der schmalen Kante zur Schallrichtung ausgerichtet – die Anstrengungen zur Minimierung von Rückwellenbehinderung sind extrem.
Neben den genannten Problemen beeinflusst auch die Wechselwirkung zwischen der Schwingspule im Luftspalt und dem Magneten die Leistung. Streng genommen wirken Spule und Magnetkreis gegenseitig anziehend oder abstoßend. Da der Magnetkreis durch Korb und Schallwand fixiert ist, scheint es, als ob der Magnet die Spule antreibt.
(Anm.6: Das Designkonzept von Vandersteen ist sehr solide und sinnvoll. Die Kosten werden in die unsichtbaren Teile gesteckt, Gehäuse und Optik sind äußerst einfach und sparsam. Der Klang ist ausgewogen und musikalisch – ein guter Partner für Musikliebhaber. Leider ist die Formgebung weniger gefällig, weshalb sie bei hiesigen Händlern und Verbrauchern nie wirklich Anklang fanden.)
Daraus ergeben sich folgende Probleme: 1. Das von der Spule selbst erzeugte Feld wirkt dem Magneten entgegen (Gegenfeld), was ihn teilweise entmagnetisieren kann. Der Magnet muss diesem standhalten, damit Dynamik, Antriebskraft und Wirkungsgrad nicht leiden. Die Fähigkeit des Magneten, diesem Gegenfeld zu widerstehen, beeinflusst auch den Klang. Der bezaubernde Klang von Lautsprechern mit Alnico-Magneten im Mittelhochtonbereich hängt vermutlich damit zusammen.
2. Das Feld der Spule selbst stört das ursprünglich konstante Feld im Luftspalt und verursacht Verzerrungen. Dies kann durch verkupferte Polplatten oder eingefügte Kupfer-Kurzschlussscheiben behoben werden. Diese dämpfen die Feldmodulation und reduzieren Verzerrungen erheblich. Diese Technik verbessert besonders die Intermodulationsverzerrungen bei Mittel-/Tieftönern, da Basswiedergabe lange Auslenkungen erfordert, während gleichzeitig mittlere Frequenzen mit kurzen, schnellen Bewegungen wiedergegeben werden – eine komplexe Feldmodulation.
Das Dilemma des Magnetkreises vs. innovative Polarisationsrichtungen und Polplatten-Designs
Anfangs erwähnte ich, dass Magnete in Lautsprecherchassis traditionell axial magnetisiert sind, die Spule aber ein radiales Feld benötigt. Warum also nicht gleich den Magneten radial magnetisieren? Die Herstellung war schwierig und teuer, bis vor etwa vier, fünf Jahren erste Chassis mit radialer Magnetisierung vorgestellt wurden.
Welche Nachteile hat die traditionelle axiale Bauweise? 1. Größeres Volumen. 2. Schwierig, einen Luftspalt mit hoher Flussdichte und großer Länge zu realisieren. Das Volumenproblem wurde bereits besprochen. Schauen wir uns den Luftspalt genauer an.
Bei traditionellen Systemen entspricht die Länge des Luftspalts im Wesentlichen der Dicke der oberen Polplatte an der Stelle des Spalts. Unter gleichen Magnetbedingungen kann man zuerst die Luftspaltbreite verringern, um die Flussdichte zu erhöhen. Das erschwert jedoch die Montage der Spule und erhöht die Kosten. Zudem darf der magnetische Fluss in den Polplatten nicht gesättigt sein, was deren Material und Dicke beeinflusst.
Möchte man eine Kombination aus langem Luftspalt und kurzer Spule realisieren (für bessere Linearität bei großen Auslenkungen), steht man vor dem Problem reduzierter Flussdichte. Zusammen mit der kürzeren Spule sinkt der Wirkungsgrad stark. Obwohl diese Konfiguration eine bessere Leistungslinearität bietet, ist es extrem schwierig, gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Chassis wie die Altec 515 Serie oder die TAD 160X Serie nutzen genau diese kurze-Spule/langer-Luftspalt-Architektur und erreichen eine hervorragende Leistungslinearität bei gleichzeitig ultrahohem Wirkungsgrad – eine beeindruckende technische Meisterleistung.
Verwendet man radial magnetisierte Magnete, lässt sich ein Magnetkreis mit hoher Flussdichte und langem Luftspalt leichter realisieren (die Kosten sind immer noch hoch, aber die physikalischen Kompromisse sind geringer). Die Länge des Luftspalts mit gleichbleibender Flussdichte kann ein Vielfaches der traditionellen Bauweise betragen, was bedeutet, dass der lineare Hub des Chassis um ein Vielfaches größer ist! Die Verzerrungen bei hohem Schalldruck sind daher extrem gering. Dies scheint ideal für die Basswiedergabe. Es gibt bereits solche Produkte, z.B. einen 18-Zoll-Tieftöner für den Profibereich (Anm.7), dessen maximaler linearer Schalldruck angeblich bereits unerträglich für das menschliche Ohr ist – bei immer noch sehr geringen Verzerrungen!
(Anm.7: Aura Sound 1808. Achtung: Nicht zu verwechseln mit der gleichnamigen Submarke von B&W!)
Leider gibt es bisher noch keine Mitteltöner mit dieser Bauweise. Obwohl Mitteltöner keinen langen Hub benötigen, würde diese Architektur kleine, sehr starke Magnete ermöglichen – zwei große Vorteile auch für die Mitteltonwiedergabe. Sicherlich existiert so etwas bereits in den Laboren einiger Hersteller. Bald dürften Serienprodukte folgen – wir dürfen gespannt sein.
Einführung in Breitbandchassis
Hm? Sollte dieser Artikel nicht über Breitbandchassis handeln? Warum wurde dann so lange nur über Mitteltöner gesprochen?
Keine Sorge! Der Grund ist einfach: Die Herausforderungen der Breitbandwiedergabe sind so vielfältig, dass sie nicht auf einmal erklärt werden können. Daher beginne ich mit dem Mitteltöner und erweitere das Konzept nach oben und unten, um ein klareres Gesamtbild zu bekommen.
Denn die Eigenschaften eines idealen Lautsprecherchassis (egal ob Hoch-, Mittel- oder Tieftöner) sollten sein:
1. Geringe Verzerrung
2. Gute Leistungslinearität
3. Hoher Wirkungsgrad
4. Möglichst breiter, effektiver Arbeitsfrequenzbereich
Wenn wir Punkt 4 bis zum Äußersten treiben, erhalten wir ein Breitbandchassis.
In der nächsten Ausgabe werde ich beschreiben, wie man auf Basis eines Mitteltöners zu einem Breitbandchassis kommt. Die vielen Dilemmata und die cleveren Lösungen der verschiedenen Hersteller sind ebenfalls sehr spannend. Bleiben Sie gespannt!
Auf den ersten Blick scheint es nicht so kompliziert: Einfach einen Mitteltöner dazu bringen, etwas mehr Höhen und Bässe wiederzugeben, und schon hat man ein Breitbandchassis? Schauen Sie sich doch Auto-HiFi, Computerlautsprecher, Kofferradios oder Radiowecker an – überall findet man diese namenlosen „Breitband“-Chassis? Scheint ja nicht so besonders zu sein, viel Lärm um nichts!
So einfach ist es nicht! Wissen Sie, wie breit der Frequenzbereich dieser namenlosen Chassis überhaupt ist? Ich glaube, Sie hören es auch ohne Messdaten leicht heraus: Wenn solche Lautsprecher verständliche Stimmen wiedergeben, ist das schon gut. Trommeln und Becken sind oft nur zu erahnen, Bass und hohe Percussion verschwimmen im Nichts. Orgel? Obertöne von Streichern? Pianonachhall? Vergessen Sie es!
Was überhaupt als Breitbandwiedergabe gelten kann, finden Sie in der Randspalte erläutert. Als Nächstes besprechen wir die Probleme und Dilemmata, die das Design eines Chassis für den gesamten Frequenzbereich mit sich bringt.
Problem der Tiefenausdehnung
Optisch sind sich Konus-Mitteltöner und Tieftöner ähnlicher Größe (z.B. 6 oder 7 Zoll) sehr ähnlich. Allenfalls haben Tieftöner aufgrund des benötigten größeren Hubs breitere, weichere Sicken. Der Rest sieht „irgendwie“ gleich aus. Das ist jedoch nur eine Faustregel, kein universelles Gesetz.
Könnte man also einen 6-Zoll- bis 7-Zoll-Mitteltöner so modifizieren, dass er auch Bass wiedergibt? Wenn man nur irgendeinen Bass erzeugen will, ohne Rücksicht auf Pegel und Verzerrungen, dann ja. Generell lässt sich die untere Grenzfrequenz eines Chassis grob an seiner Freiluftresonanzfrequenz ablesen (Anm.1), üblicherweise als „fs“ bezeichnet.
Wie senkt man diese Frequenz? Akustische Impedanz (Anm.2), bewegte Masse, Magnetkraft und die Nachgiebigkeit der Aufhängung sind Schlüsselfaktoren. Die akustische Impedanz (kurz „Schallwiderstand“) hängt direkt von der Membranfläche und der Arbeitsfrequenz ab. Bei gleicher Größe, Direktabstrahlung und gleichem Frequenzbereich kann dieser Faktor als gleich angenommen und vernachlässigt werden (Das Konzept des Schallwiderstands ist entscheidend für Basswiedergabe und den Wirkungsgrad über die gesamte Bandbreite. Ein andermal mehr dazu). Konzentrieren wir uns also auf die anderen Faktoren.
Betrachten wir das Verhalten der Membran im Bassbereich grob: Im Wesentlichen ist es eine „langsame“ Hin- und Herbewegung, mit wenigen Zyklen pro Zeiteinheit – das ist Bass. Grundlegend gilt in der Physik: Bei gegebener Kraft ist die Beschleunigung eines Körpers umgekehrt proportional zu seiner Masse. Unter ansonsten gleichen oder ähnlichen Bedingungen haben Chassis mit höherer bewegter Masse daher eine niedrigere Freiluftresonanzfrequenz. Vergleicht man die Daten verschiedener Chassis, bestätigt sich dies meist.
Um die Freiluftresonanz eines Chassis zu senken, ist die einfachste Methode, die Membranmasse zu erhöhen. Das ist jedoch keine gute Idee, denn eine schwere Membran bedeutet zwangsläufig geringeren Wirkungsgrad und schlechtere Hochtonausdehnung. Dieser Weg scheint also blockiert. Als Nächstes könnten wir die externe Dämpfung der Membran reduzieren – hauptsächlich mechanische und elektrische Dämpfung. Beide Arten wirken als Bremskraft auf die Membranbewegung.
Ein Vergleich mit dem Fahrwerk eines Autos: Traditionelle amerikanische Straßenkreuzer haben oft sehr weiche Aufhängungen für Komfort. Vereinfacht gesagt: Niedrige Federraten und nachgiebige Stoßdämpfer. Diese Kombination hat eine niedrige Eigenfrequenz (Anm.3), die Unebenheiten der Straße „wie ein Schiff durch Wasser“ absorbiert, da diese Impulse kurzzeitig sind (hochfrequent). Lange Wellen (niederfrequent), wie Brückenschwingungen, lösen jedoch oft zwei bis drei langsame Auf- und Abbewegungen aus – die Eigenfrequenz des Systems wird angeregt.
Ähnlich kann man bei Lautsprecherchassis die Eigenfrequenz durch Erhöhung der Nachgiebigkeit der Aufhängung senken. Weniger Dämpfung senkt direkt die Resonanzfrequenz.
Auch dieser Ansatz birgt Probleme:
Mechanische Dämpfung: Bezieht sich auf die bremsende Wirkung der Sicke (Surround) und der Wellenführung (Spider) nahe der Verbindung von Membran und Spulenträger. Diese Aufhängung dämpft nicht nur die Gesamtbewegung der Membran, sondern unterdrückt auch Teilresonanzen (Konusaufteilung), besonders die Sicke. Ein Wechsel der Sicke verändert daher den Klangcharakter eines Chassis erheblich, da sich das Resonanzverhalten und das Maß der Klangfärbung ändern. Eine drastische Reduzierung der mechanischen Dämpfung zur Absenkung der Resonanzfrequenz erhöht die Klangfärbung, besonders im Mitteltonbereich. Daher ist Vorsicht geboten.
Elektrische Dämpfung: Bezieht sich auf die Kontrollkraft des Magnetfeldes auf die Schwingspule. Natürlich: Je stärker das Magnetfeld, desto größer die Antriebskraft und auch die Bremskraft. Starker Antrieb ist wünschenswert für hohen Wirkungsgrad und niedrige Verzerrungen. Die damit einhergehende hohe Dämpfung verhindert jedoch eine Absenkung der Resonanzfrequenz. Hier liegt das Dilemma klar auf der Hand, und wir müssen einen Kompromiss finden. Berücksichtigt man zusätzlich die Hochtonausdehnung, wird dieser Kompromiss noch schwieriger.
Problem der Hochtonausdehnung
Die Hauptfaktoren, die die Hochtonwiedergabe eines Chassis beeinflussen, sind ähnlich wie bei den Tiefen – „elektrische“ und „mechanische“ Faktoren –, allerdings anders gelagert. Mit „elektrischen Faktoren“ ist die induktive Last der Schwingspule gemeint, die ich bereits in früheren Artikeln erwähnt habe. Gehen wir nun ins Detail.
Wie der Name sagt, ist die Schwingspule eine Induktivität. Allein wäre sie eine Luftspule mit geringer, linearer Induktivität. Leider arbeitet die Spule innerhalb des Magnetkreises. Ohne Ausnahme befindet sich innerhalb der Spule der zentrale Polkern. Diese Anordnung bildet eine echte Eisenkernspule, was die Induktivität stark erhöht. Aufgrund der natürlichen Tiefpasswirkung von Induktivitäten werden Hochfrequenzsignale hier stark gedämpft. Schlimmer noch: Die relative Position der schwingenden Spule zum Polkern ändert sich ständig, was zu einer komplexen Wechselwirkung zwischen Induktivitätswert und Magnetfeld im Luftspalt führt. Dies moduliert sich gegenseitig stark, besonders bei hoher Lautstärke und breitbandiger Wiedergabe. Die Verzerrungen steigen dann stark an; klanglich äußert sich dies in Unschärfe, Rauheit, Verwaschenheit von Texturen und Details, zerfallenden Klangbildern und komprimierter Stereobühne. Abhilfe schaffen verkupferte Polkern oder eingefügte Kupferringe (Kurzschlussscheiben). Diese „kurzschließen“ das Magnetfeld, reduzieren die gegenseitige Modulation stark und senken die Induktivität der Spule erheblich. Dies verbessert sowohl die Hochtonausdehnung als auch die Verzerrungen.
Die „mechanischen Faktoren“ lassen sich mit grundlegenden physikalischen Prinzipien erklären: Kraft (F) ist Masse (m) mal Beschleunigung (a) (F = m * a). Beschleunigung ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit. Stellen Sie sich vor: Eine Membran muss während ihrer Vorwärtsbewegung abbremsen, am Ende des Hubs anhalten, dann beschleunigen und in die entgegengesetzte Richtung schwingen. Bei 20 kHz muss dieser gesamte Vorgang in 1/40.000 Sekunde ablaufen! Interessierte Leser können eine Auslenkung annehmen und die maximale Beschleunigung für eine halbe Sinusschwingung berechnen. Man muss nicht rechnen, um zu erkennen, dass eine Richtungsänderung um 180 Grad in 1/40.000 Sekunde eine enorme Beschleunigung erfordert!
Um solche hohen Frequenzen wiederzugeben, muss die Membran diese hohe Beschleunigung erreichen. Aus dem einfachen Gesetz ergeben sich nur zwei Wege: Die Membranmasse verringern oder die Antriebskraft erhöhen. Beides führt jedoch zu zahlreichen Dilemmata und Widersprüchen.
Dilemma der Membranmasse
Wie erwähnt, ist die einfachste Methode zur Absenkung der Resonanzfrequenz die Erhöhung der Membranmasse. Das ist leicht umzusetzen. Für Hochtonwiedergabe und Wirkungsgrad ist es jedoch keine gute Lösung. Können wir die Sache also umgehen und das Chassis im Bassbereich eine „schwere“ Membran „sehen“ lassen, während es im Hochtonbereich nur eine „leichte“ Membran „sieht“? Klingt seltsam?
Dies ist eine sehr raffinierte Technik im Design von Breitbandchassis: die „mechanische“ Frequenzweiche. Praktisch bedeutet dies: Bei tiefen Frequenzen bewegt sich der gesamte Konus. Mit steigender Frequenz führen Teilresonanzen (Konusaufteilung) dazu, dass die schwereren, akustisch höher belasteten äußeren Bereiche „nicht mehr folgen können“. Dann bewegt sich nur noch der innere Bereich mit der Spule. Die „effektiv bewegte“ Masse dieses „lokalen“ Bereichs ist natürlich viel geringer als die des gesamten Konus. So ändert sich die „tatsächlich wirksame“ bewegte Masse des Konus mit der Frequenz. Auf diese Weise kann sowohl die Hoch- als auch die Tieftonwiedergabe erreicht werden.
Das klingt einfach, aber bei näherer Betrachtung wird die enorme Komplexität deutlich. Schon die Kontrolle, ab welcher Frequenz Teile der Membran „nicht mehr folgen können“, ist schwierig. Noch schwieriger ist es sicherzustellen, dass diese Teile „wenn sie schon nicht folgen können, dann auch stillhalten“ und nicht unkontrolliert schwingen, was nur zusätzliche Klangfärbung erzeugen würde. Zudem ändert sich bei echter Musikwiedergabe das Frequenzspektrum ständig. Unkontrollierte Teilresonanzen führen daher garantiert zu schrecklichen Verzerrungen!
Antriebskraft
Wie erwähnt, ist für eine gute Hochtonausdehnung eine starke Antriebskraft nötig, um die benötigte Beschleunigung der Membran zu erreichen. Die Antriebskraft hat zwei Quellen: Schwingspule und Magnetkreis. Mehr Windungen auf der Spule erzeugen eine stärkere magnetische Kraft für die Wechselwirkung mit dem Magnetkreis. Mehr Windungen bedeuten aber auch höhere Induktivität und mehr Masse – beides schadet dem Hochton. Dieser Weg führt also nicht weiter. Das Spulendesign erfordert einen Kompromiss. Hier ist „klein und fein“ offensichtlich besser als „groß und ungeeignet“.
Also müssen wir die Magnetkraft erhöhen. Zwar führt ein starkes Magnetfeld, wie erwähnt, zu starker Dämpfung, was die Absenkung der Resonanzfrequenz erschwert. Um jedoch die für die Hochtonwiedergabe benötigte Beschleunigung der „nicht leichten“ Membran (Anm.4) zu erreichen, muss die Magnetkraft deutlich stärker sein als bei normalen Mitteltönern, sonst gibt es kaum Unterschiede. Das Problem der Überdämpfung muss dann durch Reduzierung der mechanischen Dämpfung kompensiert werden.
Systemintegrationsproblem
Es gibt doch nur ein Chassis, wo ist da „System“-Integration? Hier bezieht sich Systemintegration auf zwei Aspekte: 1. Feinabstimmung des Frequenzgangs. 2. Design des Gehäuses/der Abstimmung. Beide hängen oft zusammen.
Theoretisch sollte ein ideales Breitbandchassis, in ein geeignetes Gehäuse eingebaut oder auf einer Schallwand montiert, direkt an einen Endverstärker angeschlossen werden und unverfälscht himmlische Klänge erzeugen. Aber nach all den beschriebenen Dilemmata, die Designer durch intensivstes Nachdenken und unter größten Anstrengungen lösen mussten, um überhaupt ein breitbandfähiges Chassis zu schaffen – erwarten Sie dann wirklich einen „kompromisslosen“, „perfekten“ Klang in jeder Hinsicht? Denken Sie daran: Bei Dilemmata ist der Ausweg meist ein „Kompromiss“.
Wenn Sie Stereophile kennen, werden Ihnen die Messdiagramme der getesteten Geräte vertraut sein. Typischerweise ist der Frequenzgang von Verstärkern zwischen 20Hz und 20kHz fast schnurgerade. Bei Röhrenverstärkern gibt es vielleicht an den Bandenden eine leichte Absenkung. Der Frequenzgang von Lautsprechern hingegen ist viel unebener – unregelmäßiger als mit einer kaputten Säge gezeichnet. Betrachtet man Wasserfalldiagramme (Nachhallverhalten) und den Frequenzgang außerhalb der Achse, wird es noch schlimmer: Seltsam geformte Berge und Täler über den gesamten Bereich.
Warum ist der Frequenzgang von Lautsprechern nicht so linear wie der von Verstärkern? Weil Lautsprecher mechanisch bewegte Bauteile sind. Bei Bewegung sind die Energieübertragung, -abgabe und -speicherung in den verschiedenen Teilen sehr komplex und miteinander verbunden. Unweigerlich kommt es zu Energieansammlungen oder gegenseitigen Auslöschungen: Energieansammlungen erzeugen Resonanzspitzen; Auslöschungen erzeugen Einbrüche – daher der unebene Frequenzgang. Im besten Fall sind die Unebenheiten sanft und gleichmäßig verteilt, um starke, lokalisierte Klangfärbung zu vermeiden. Sind die Schwankungen stark oder konzentriert, ist es schlecht: Starke Klangfärbung verzerrt nicht nur den Frequenzgang, die Energie der Resonanzspitze ist auch stärker und klingt lange nach (oft im Wasserfalldiagramm sichtbar). Dies verschleiert die Auflösung und Mikrodynamik in diesem und benachbarten Frequenzbereichen stark. Selbst mit einem schmalbandigen Kerbfilter (Notchfilter) zur Absenkung lässt sich der störende Nachhall oft nicht vollständig beseitigen.
Zudem zeigt sich der Dämpfungszustand eines Chassis oft im Verlauf des Frequenzgangs. Steigt der Hochtonbereich an, ist die Dämpfung im Mittel-/Bassbereich relativ zu hoch; klanglich: straff, schlank, etwas hell. Steigt umgekehrt der Bassbereich an, ist die Dämpfung dort relativ zu gering; klanglich: voller, weicher, dunkler.
Diese Ausführungen über die „Schattenseiten“ von Lautsprecherchassis sollen nur darauf hinweisen: Auch wenn legendäre Breitbandchassis jeweils in ihrem Bereich „Superlative“ darstellen, haben sie aufgrund unvermeidlicher Kompromisse ihre Stärken und Schwächen und sind selten ausgewogen perfekt. Selbst der Bau von Musikinstrumenten erfordert enormen Aufwand für perfekten Klang und ausgeglichene Lautstärke über den gesamten Bereich – umso mehr für das Lautsprecherchassis als „nachahmendes“ Werkzeug.
Ein Breitbandchassis kann also zwar den gesamten Frequenzbereich wiedergeben, aber nicht unbedingt linear.
Häufige Probleme sind: Ein breiter, sanfter Anstieg im Mitteltonbereich (manchmal mittelhoch, manchmal mitteltief), der klanglich eine gewisse Färbung verursacht. Oder ein sanfter Abfall im Hochtonbereich, der zu einem dunkleren Klangbild führt. Oder eine Überdämpfung mit Tiefenabfall, klanglich schlank und straff ohne Bassfundament.
Bei einem leichten Anstieg im Frequenzgang, der störend ist, kann ein Kerbfilter (Notchfilter) diesen ausgleichen. Ist das Problem nicht zu stark, führt dies meist zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Unterschätzen Sie diese Lösung nicht! Zwar steht jetzt etwas zwischen Endstufe und Chassis, aber es ist nur eine Frequenzgangsanpassung. Verglichen mit den komplexen Überlappungen und Phasenverzerrungen in mehrwege-gefilterten Lautsprechern ist dies viel einfacher. Solche Kerbfilter-Schaltungen finden sich übrigens in vielen Lautsprecherweichen – also nichts Ungewöhnliches.
Bei einem Hochtonabfall liegt es meist an einer relativ zu schwachen Magnetkraft oder einer zu großen Membran, die trotz „mechanischer Frequenzweiche“ zu träge ist – wie bei älteren 12-Zoll- oder gar 15-Zoll-Breitbandchassis. Hier hilft nur der Zusatz eines Hochtöners. Sie sagen: „Das ist doch kein echtes Breitbandchassis mehr!“ Urteilen Sie nicht vorschnell! Bei sorgfältiger Integration, bei der der Hochtöner erst ab 16-18 kHz (oder höher) mit einer flachen Flanke von -6 dB/Oktave einsetzt, können hervorragende Ergebnisse erzielt werden. Der Übergangsbereich liegt außerhalb des für das Ohr empfindlichen Mitteltonbereichs, und eine Frequenzweiche erster Ordnung erhält die Phasenkohärenz. So bleiben die meisten Vorteile eines Breitbandchassis erhalten. (Falls Sie zufällig Altec 412C besitzen und sich über fehlende Höhen ärgern – kontaktieren Sie mich bitte, ich bin sehr am Kauf interessiert. Sobald ich sie zum Klingen gebracht habe, kriegen Sie sie nicht mehr zurück!)
Beim letzten Fall, dem Bassabfall, haben diese Breitbandchassis eine stärkere Dämpfung. Der Bass klingt oft straff und kurz, Vorteil ist die Klarheit der Details. Hier kann eine geeignete Gehäuseabstimmung oder sogar eine Hornbelastung die akustische Impedanz im Bassbereich erhöhen und damit den Wirkungsgrad verbessern. Bei guter Umsetzung kann dies die beste Breitbandwiedergabe bieten.
Da wir über Gehäuseabstimmung sprechen, bleiben wir gleich beim Thema. Über 90% der käuflichen Lautsprecher sind geschlossen (Closed Box) oder bassreflex-geeicht (häufig als „Bassreflex“ bezeichnet). Abgesehen von wenigen Ausnahmen basieren Gehäuselautsprecher auf diesen beiden Grundprinzipien oder deren Ableitungen. Für Breitbandchassis sollte die Membranauslenkung im Bassbereich so gering wie möglich sein. Denn große Auslenkungen erhöhen nicht nur die Bassverzerrungen stark, sondern beeinträchtigen auch Mittel- und Höhen. Stellen Sie sich vor: Die kleinen, schnellen Bewegungen für Mittel-/Hochton „reiten“ auf den großen, langsamen Bewegungen für Bass. Die Schallquelle für Mittel/Hoch bewegt sich mal auf Sie zu, mal von Ihnen weg. Das führt zwangsläufig zu hohen Intermodulations- und Doppler-Verzerrungen. Zwar betrifft dies grundsätzlich alle Chassis, aber bei Breitbandchassis ist der Arbeitsbereich viel größer, sodass der Effekt stärker ins Gewicht fällt und minimiert werden muss.
Von den beiden Hauptbauarten ist der Bassreflex für Breitbandchassis besser geeignet. Diese Bauweise reduziert den Membranhub stark um die Abstimmfrequenz des Systems (typisch 30-50 Hz, je nach Design). Das senkt die Verzerrungen, erhöht die Belastbarkeit und verbessert den Wirkungsgrad. Daher liefern die meisten Breitbandchassis in solchen Gehäusen durchaus gute Ergebnisse.
Puristen argumentieren, dass ein so gutes Chassis durch Gehäuseresonanzen „verunreinigt“ würde, und verwenden daher keine Gehäuse, sondern montieren es auf offenen Schallwänden (Baffles). Chassis mit ausreichender Eigenbasswiedergabe eignen sich dafür und liefern den unverfälschtesten Klang, z.B. der WE/Altec 755C. Angeblich ist dessen Mittelton-Impulsverhalten blitzschnell, vergleichbar mit elektrostatischen Lautsprechern, aber mit besserer Dynamik. Diese Methode hat Nachteile: Sie benötigt viel Platz, denn die Bassausdehnung hängt von der Baffle-Fläche ab – mindestens 1m x 1m, nach oben offen. Auch der Wirkungsgrad und die Belastbarkeit sind geringer, die Basswiedergabe schwächer. Zudem macht die beidseitige Abstrahlung die Raumakustik komplexer, und zwei große Tafeln im Raum sind für viele schwer akzeptabel.
Schließlich die komplexeste Methode: Hornbelastung. Über Hörne werden wir ein andermal ausführlich sprechen, hier nur eine kurze Einführung. Vereinfacht ist ein Horn ein sich trichterförmig erweiterndes Rohr. Die breite Öffnung heißt „Hornmund“, die schmale „Hornhals“. Die Hornform bewirkt, dass der Schallwiderstand am Hals größer ist als am Mund. Dadurch entsteht zwischen der nahe am Hals montierten Membran und den Luftmolekülen ein hoher Druck – die Kopplung ist sehr effizient, der Wirkungsgrad hoch.
Rückwärts belastete Falthörner (Back-Loaded Horns) können bei gutem Design die Effizienz im mittleren Tiefton- und Bassbereich effektiv steigern. Dies kombiniert sich nahezu perfekt mit den zuvor erwähnten überdämpften Breitbandchassis. Chassis-Vorstellung
Es gibt zahlreiche Breitbandchassis verschiedener Hersteller. Ich kann nicht alle auflisten, daher hier einige bekannte Beispiele, darunter sowohl aktuelle als auch nur noch gebraucht erhältliche Modelle.
Jordan Watts
Sehr spezielles Design mit Aluminiummembran. Die Aufhängung verwendet statt der üblichen Wellenführung (Spider) eine besondere fadenförmige Aufhängung mit hoher Nachgiebigkeit. Meine Begegnung mit Jordan Watts begann mit den „Vasen“. Ein Händler räumte aus, und ich fand die „Vasen“ altmodisch und hübsch, also kaufte ich sie. Ohne große Erwartungen war ich überrascht: Der 6-Zoll-Alukonus bot durchaus „breitbandigen“ Klang. In meinem 10-qm-Raum war der Bass ansehnlich. Bei mittlerer Lautstärke und kleiner Besetzung war die Reinheit und der musikalische Ausdruck wirklich berührend. Nachteil: Etwas Färbung im unteren Mittelton, eine leicht wulstige Stelle. Nach etwa 30 Minuten Hörzeit nahm ich es jedoch nicht mehr wahr – vielleicht das Einspielen des Chassis oder mein Ohr gewöhnte sich. Außerdem ist der Wirkungsgrad zu niedrig; bei höherer Lautstärke leidet die Klarheit.
Jordan Watts bietet auch ein 2-Zoll-Modell mit Aluminiummembran. Abgesehen von begrenztem Bass und niedrigem Wirkungsgrad ist es ein Klassiker. Es glänzt besonders im Impulsverhalten (Messung und subjektiver Höreindruck: sehr klar und angenehm).
Diatone P-610 Serie
Ein historisch bedeutendes und hochgelobtes Chassis. Verwendet einen 6,5-Zoll-Papierkonus und Alnico-Magneten. Wirkungsgrad 90dB/W, Bass bis 50Hz – für ein Breitbandchassis sehr gut. Die mehreren erhabenen Rillen auf der Membranoberfläche dienen zur Kontrolle der Teilresonanzen, wie beschrieben, und ermöglichen so eine Art mechanische Frequenzweiche.
Die ursprüngliche P-610 wurde bis zur vierten Version produziert, 1993 eingestellt. Später gab es eine kleine limitierte Jubiläumsauflage, die kaum erhältlich ist. Ich hatte leider noch keine Gelegenheit, diese Lautsprecher zu hören. Verlässlichen Quellen zufolge könnte dieses Chassis das ausgewogenste Breitbandchassis sein – der gelungenste Kompromiss. Es soll einen sanften, süßen Klang, herausragende Abbildung, klare Mikrodynamik und einfache Handhabung in einem normalen Bassreflexgehäuse bieten. Zusammen mit Röhrenverstärkern mit direkt geheizten Trioden, besonders 2A3, soll es eine ideale Kombination sein. Probieren Sie es aus, wenn Sie interessiert sind!
WE/Altec 755A/C
Legendäres 8-Zoll-Papierkonus-Breitbandchassis mit hohem Wirkungsgrad. Die spezifizierten Werte der 755A sind 70Hz–13KHz, Belastbarkeit 8 Watt; die der 755C: 40Hz–15KHz/15 Watt. Auf der Membranvorderseite ist eine erhabene, ringförmige Rille sichtbar, wie eine schmale Sicke. Auch dies dient der Kontrolle der Teilresonanzen für eine mechanische Frequenzweiche.
Diese Chassis haben eine lange Geschichte. WE-Exemplare sind kaum noch zu finden, Altec-Exemplare habe ich nur einmal unvollständig gesehen. Optisch und konstruktiv scheinen sie nichts Besonderes zu bieten, sogar der Korb und der Magnet könnten Rückwellenprobleme verursachen. Doch ausländische DIY-Enthusiasten schwärmen von ihrer Reinheit und vergleichen sie mit Quad-Elektrostaten, jedoch mit besserer Dynamik. Der Geiger und Hobby-Bastler Joseph Esmilla beschrieb in „Sound Practices“ seine Erfahrungen mit Altec 755A/C auf extrem einfachen offenen Baffles, angetrieben von 2A3- oder 300B-Single-Ended-Verstärkern: Sie bieten eine makellose Musikalität.
Goodmans Axiom 80
Eine weitere „Legende“!
Ich besuche oft meinen Freund Li Jiande. Sein Zuhause ist praktisch ein „Museum für Audio-Ikonen“, ständig tauchen alte, seltsame und liebenswerte Dinge auf. Mit der Zeit gewöhnt man sich daran. Vor etwa einem Jahr entdeckte ich zufällig ein Lautsprecherchassis hoch auf einem Regal, nur den halben dunkelgrünen „Hintern“ (Magnet und Korb) sehend. Es kam mir bekannt vor, aber nicht wirklich – eher wie die Erinnerung an ein Bild oder Ähnliches. Ich fragte Bruder Li, was das sei. Ohne aufzublicken, sagte er lässig, eine Rauchwolke ausstoßend: „Nur Goodmans.“ GOODMANS!!! Sofort stürzte ich mich darauf, achtete nicht auf die WE-Endstufen auf dem Boden, kletterte hinauf, packte den dunkelgrünen Hintern, hob es ehrfürchtig herunter und betrachtete es andächtig. Je länger ich schaute, desto mehr dachte ich: „Dieses Ding muss vom Himmel sein!“, „Es sieht einfach großartig klingend aus“ (Anm.5). Mir schien, ich hörte bereits seinen Klang. Plötzlich war das Chassis weg, ehe ich es begriff. Bruder Li hatte das Axiom 80 an sich gerissen und drückte mir einen Mopp in die noch zitternde Hand: „Wisch den Sabber vom Boden!“
Ich wollte Geld zusammenkratzen, um diese Schätze zu kaufen. Doch dieses erste Treffen war auch das letzte. Kurz darauf gab Li Jiande sie aus irgendeinem „Unzufriedenheits“-Grund an den Vorbesitzer zurück. Die Nachricht traf mich wie ein Schlag. Ich konnte lange kein Wort sagen... Noch heute muss ich bei dieser Erinnerung den Stift weglegen und seufzen. Ach...
Das Axiom 80 war ein klassisches Breitbandchassis, das Goodmans in den 1950er-60er Jahren produzierte. Tatsächlich hatte Goodmans damals noch andere hochwirksame und gut klingende Breitbandchassis im Programm, aber das Axiom 80 ist das berühmteste.
Das Besondere am Axiom 80 ist die einzigartige Korbkonstruktion und Aufhängung. Der Magnet ist klein, wahrscheinlich Alnico. Leider finde ich keine genauen Konstruktionsunterlagen, um die Philosophie dahinter zu verstehen. Aber dieses Chassis strahlt einfach eine Aura von „Richtigkeit“ aus, das Gefühl, dass ein guter Lautsprecher so sein sollte.
Die spezifizierten Werte: Frequenzbereich 20Hz–20KHz (!!), Belastbarkeit 6W. Ich hatte noch nicht das Glück, den Klang zu hören. Aber sehr verlässlichen ausländischen Quellen zufolge scheinen die Werte zu stimmen! Wie bei Lowther ist jedoch ein hochwertiges rückwärts belastetes Horngehäuse nötig, um es optimal zu nutzen. Als Verstärker eignet sich am besten eine 2A3; eine 300B hat fast zu viel Leistung!
Lowther Serie
Die berühmte Lowther-Serie hat eine über 50-jährige Geschichte. Streng genommen geht sie auf die von P.G.A.H. Voigt in den 1920ern entwickelten dynamischen Lautsprecherchassis und sein Patent für den Doppelkonus aus den 1930ern zurück. Die Geschichte im Detail zu erzählen, wäre zu lang.
Bei Lowther denkt man sofort an den besonderen weißen Papierkonus und den formschönen, kraftflussoptimierten Korb. Einige Top-Modelle haben einen pilzförmigen zentralen Phasenstecker (Phase Plug).
Optisch auffällig ist die Doppelkonus-Konstruktion. Sie ermöglicht die volle Nutzung der mechanischen Frequenzweiche: Bei mittleren und tiefen Frequenzen bewegt sich der gesamte Konus (bzw. beide Konusse). Mit steigender Frequenz beginnt der äußere Konus, Teilresonanzen zu entwickeln, während der innere Konus weiterarbeitet. Der zentrale Phasenstecker verhindert, dass die Hochfrequenz-Schallwellen an der Innenseite des inneren Konus auslöschen, und verbessert die Abstrahlung. Der pilzförmige Phasenstecker bildet mit dem inneren Konus zusätzlich einen Schlitz, der die Hochton-Effizienz weiter erhöht – ideal für die Kombination mit frontbelasteten Hörnern. Kürzlich kam ein völlig neuer Phasenstecker auf den Markt, dessen Form weder kugel- noch pilzförmig ist (für mich sieht er aus wie ein UFO). Er soll die Hochtonwiedergabe erheblich verbessern und ist für alle Lowther-Chassis kompatibel.
Bei Material und Herstellung des Papierkonus setzt Lowther trotz gestiegener Lohnkosten noch immer auf Handarbeit: Zuschnitt und Verklebung von Flachpapier. Lowther ist überzeugt, dass nur so eine optimale, gleichmäßige Dicke erreicht werden kann, was bei einteilig aus Papierbrei geformten Konen unmöglich sei. Ungleichmäßige Dicke verursacht lokale Resonanzen und Klangfärbung; zu dicke Stellen erhöhen unnötig das Gewicht. Die Handwerkskunst bei der Herstellung dieses Doppelkonus ist außergewöhnlich hoch.
Beim Magnetkreis gibt es drei Materialien: Standard-Ferrit, Alnico und das neue Neodym. Obwohl alle Lowther-Chassis im Vergleich zu den meisten anderen stark und effizient sind, gibt es Unterschiede. Ferrit-Modelle sind die „günstigsten“, daher sind ihre Spezifikationen weniger beeindruckend. Das bedeutet aber nicht, dass sie schlechter klingen – im Gegenteil, sie sind oft am zugänglichsten und benötigen weniger Feintuning. Die Alnico-Serie ist die teuerste und stärkste. Das PM-4A erreicht eine magnetische Flussdichte von 2,4 Tesla – die höchste in einem jemals gebauten Chassis! Sein Hochton reicht bis 22kHz. Die neue Neodym-Serie soll die hohe Magnetkraft von Alnico bei geringerem Volumen und niedrigeren Kosten bewahren. Der Preisunterschied zu den Top-Alnico-Modellen ist jedoch gering. Die neue Serie bietet sehr moderne Spezifikationen und klangliche Eigenschaften. Ob ihr Klang und ihre Ausstrahlung denen von Alnico entsprechen, ist Geschmackssache.
Wichtig: Lowther benötigt rückwärts belastete Horngehäuse, um optimal zu klingen, da der maximale Membranhub nur 1mm beträgt. Das Horn hilft, ausreichend Bass zu erzeugen. Vor kurzem veröffentlichte jedoch der Lowther American Club Bassreflex-Entwürfe, die angeblich einen flachen Frequenzgang bis 40Hz bieten und im mittleren Bassbereich mehr Auflösung haben. Diese Diskussion bleibt abzuwarten.
Klanglich haben fast alle Lowther-Lautsprecher Gemeinsamkeiten: herausragende Präsenz, erstaunliche Detailauflösung und ein blitzschnelles Impulsverhalten. Messungen zeigen oft einen leichten Anstieg im mittleren Hochtonbereich und einen sehr schlechten Frequenzgang außerhalb der Achse – der Sweet Spot ist klein. Solch charaktervolle Lautsprecher polarisieren: Liebhaber schwören lebenslang darauf und lehnen andere ab; Kritiker finden, sie verfehlen sogar grundlegende HiFi-Kriterien und verstehen den Hype nicht.
In Europa gibt es in vielen Ländern Lowther-Clubs, deren Mitglieder natürlich treue Anhänger sind. Die Begeisterung breitete sich auch in den USA aus. Und die akribischen Japaner entdeckten diese sehr ihrem Geschmack entsprechenden Produkte natürlich schon früh. Jetzt kennen auch Sie Lowther – etwas Besonderes und relativ leicht erhältlich. Ob Sie dem Club beitreten, liegt bei Ihnen.
Schlussfolgerung
Breitbandlautsprecher können bei richtiger Anwendung eine tiefe musikalische Befriedigung bieten. Sie profitieren von phasenkohärenter Wiedergabe über den gesamten Frequenzbereich, kein Frequenzweichenfilter, das das wertvolle Audiosignal auffrisst, eine raffinierte Mikrodynamik und musikalische Ausdruckskraft sowie eine überlegene Abbildung der Stereobühne – alles Dinge, die Mehrwegelautsprecher nicht bieten können. Aber bitte verstehen Sie: Nichts ist perfekt. Wenn Sie Heavy Metal bei 120 dB hören, Ihre Lautsprecher regelmäßig im Gefechtslärm von Heimkino schmoren lassen oder oft Freunde zum lauten Mitsingen einladen – dann rate ich Ihnen von Breitbandchassis ab. Das wäre Qual für Sie und die Lautsprecher.
Verwenden Sie diese Schätze pfleglich, mit maßvoller Lautstärke für einfache Musik. Dann werden Sie die tiefste emotionale Berührung durch die Musik selbst erfahren – die Lautstärke spielt dann keine Rolle mehr.