Was ist die ideale Lautsprechertreiberkonfiguration?

Jeder, der sich schon länger mit Audio beschäftigt, hat wahrscheinlich eine Vorliebe für einen bestimmten Lautsprecherstil und eine bestimmte Treiberkonfiguration entwickelt. Diese Präferenz kann auf persönlicher Erfahrung, der Meinung eines vertrauenswürdigen Rezensenten, technischem Wissen oder vielleicht sogar einigen Bemühungen beim Selbstbau von Lautsprechern beruhen. Es gibt tatsächlich viele Möglichkeiten, einen guten Lautsprecher zu bauen, und es gibt sicherlich Raum für den persönlichen Geschmack. Dennoch bin ich oft überrascht, wie wenig die meisten Menschen (selbst einige, die sich intensiv mit Audio beschäftigen) wirklich über die Leistungsauswirkungen verschiedener Treiberkonfigurationen Bescheid wissen.

Vieles davon wird in The Loudspeaker Design Cookbook erklärt. Als ich The LDC vor 20 Jahren zum ersten Mal las, hat es wahrscheinlich mein Verständnis dafür, wie Lautsprecher funktionieren, um eine Größenordnung erweitert. Was ich hier präsentieren werde, ist viel weniger technisch. Ich ermutige alle Audiophilen und Rezensenten, tiefer zu graben, indem sie sich ein Exemplar des LDC besorgen, das jetzt in der siebten Ausgabe vorliegt und das von Vance Dickason, Herausgeber des Voice Coil-Magazins und einem der erfahrensten Lautsprecherdesigner der Welt, geschrieben wurde.

Um zu verstehen, warum einige Treiberkonfigurationen in bestimmten Situationen besser funktionieren als andere, ist es wichtig, einige allgemeine Prinzipien zu verstehen:

1) Je größer der Durchmesser eines Treibers ist, desto niedriger sind die Frequenzen, die er spielen kann, und desto schwieriger wird es, hohe Frequenzen wiederzugeben. Auch dies ist ein allgemeines Prinzip, das nur gilt, wenn alle anderen Dinge gleich sind.

2) Die Abstrahlung eines Treibers (die Gleichmäßigkeit, mit der er Schall in alle Richtungen verteilt) ist hauptsächlich eine Funktion seines Durchmessers – oder, im Fall von ovalen oder rechteckigen Treibern, ihrer horizontalen und vertikalen Abmessungen. Eine gute Faustregel ist, dass die Streuung eines Treibers bei der Frequenz, deren Wellenlänge der Dimension des Treibers entspricht, beginnt, sich zu verengen (oder zu „strahlen”). Um dies zu berechnen, dividieren Sie 13.512 (die Schallgeschwindigkeit in Zoll auf Meereshöhe) durch die effektive Strahlungsfläche des Treibers. Beispielsweise beginnt ein 6,5-Zoll-Tieftöner mit einem Durchmesser der effektiven Strahlungsfläche von fünf Zoll (gemessen von der Spitze der Einfassung bis zur gegenüberliegenden Spitze) bei etwa 2.702 Hz oder 13.512 geteilt durch fünf zu strahlen.

Die Streuung ist wichtig, weil sie einem Lautsprecher einen großen, offenen und natürlichen Klang verleiht. Wenn die Streuung eines Lautsprechers schlecht ist, scheint es eher so, als käme der Ton aus der Lautsprecherbox und nicht von einem echten Sänger oder einem Instrument. Eine schlechte Streuung im Mitteltonbereich kann auch zu einer „hohlen Hand”-Färbung in Stimmen führen, als ob Sänger ihre Hände um den Mund legen würden.

Sie haben vielleicht schon herausgefunden, was das größte Dilemma im Lautsprecherdesign ist: Je kleiner der Treiber, desto breiter seine Streuung (siehe Maßtabelle unten, klicken Sie auf das Foto, um es in einem größeren Fenster anzuzeigen); Je kleiner der Treiber jedoch ist, desto weniger kann er mit niedrigen Frequenzen umgehen. Ein wenig mehr Nachdenken könnte zu der Erkenntnis führen, dass „einfacher ist besser” bei Sprechern selten gilt. Je einfacher der Lautsprecher, desto wahrscheinlicher ist es, dass er eine Kombination aus ungleichmäßigem Frequenzgang, schlechter Streuung, fehlender Bass- und/oder Höhenwiedergabe und/oder hoher Verzerrung aufweist.

Betrachten wir die Vor- und Nachteile einiger der beliebtesten Lautsprechertreiberkonfigurationen. Eine Anmerkung: Es gibt unzählige Faktoren, die die Lautsprecherleistung beeinflussen, einschließlich Treiberdesign und -materialien, Gehäusedesign und -materialien, Basslast des Gehäuses, Flankensteilheit usw. Diese liegen jedoch außerhalb des Rahmens dieses Artikels, der sich speziell mit Treiberkonfigurationen befasst. Für ein tieferes Verständnis des Innenlebens von Lautsprechern lesen Sie das Loudspeaker Design Cookbook oder ein anderes ausführliches Nachschlagewerk.

Einweg (einzelner Treiber, voller Bereich)
Einige Audiophile und Rezensenten tendieren zu Einzeltreiber-Designs, weil sie glauben, dass das Eliminieren der Frequenzweiche zur Aufteilung des Audiosignals in Bässe und Höhen eine größere Klangreinheit erzeugt. Das Problem ist, dass dies mit Kosten verbunden ist, die oft extrem sind. Größere Breitbandlautsprecher haben einen ungleichmäßigen Hochfrequenzgang und eine extrem schlechte Streuung in den Höhen. Kleinere Fullrange-Treiber, wie der 3,5-Zoller, der im kürzlich hier getesteten Role Audio Sampan FTL-Lautsprecher verwendet wird, können eine ziemlich gleichmäßige Höhenwiedergabe und gleichmäßige Streuung bis irgendwo zwischen 5 und 7,5 kHz haben, sodass sie gut klingen können – aber da die Resonanzfrequenzen dieser Treiber dazu neigen, 100 Hz oder höher zu sein, bieten sie wenig oder keine Basswiedergabe. Verglichen mit einem anständigen 1-Zoll-Hochtöner ist ihre Höhenwiedergabe nicht so glatt und ihre Streuung nicht so breit.

Bei Low-Cost-Produkten sind Breitbänder allerdings manchmal die beste Wahl. Ich erinnere mich gerne an die großartig klingenden, preiswerten Cambridge SoundWorks-Systeme, die vom legendären Henry Kloss entworfen wurden und 2,5- oder 3-Zoll-Breitbandlautsprecher in würfelförmigen Gehäusen enthielten, ergänzt durch ein billiges, aber effektives Bandpass-Bassmodul. Ich habe den Herstellern von preisgünstigen Soundbars oft geraten, einzelne Vollbereichstreiber anstelle separater Tief- und Hochtöner zu verwenden. Bei diesen Preisen ist es fast unmöglich, einen anständig klingenden Hochtöner zu finden und eine geeignete Frequenzweiche einzubauen.

Lautsprecher mit kleinen Vollbereichstreibern, wie der Sampan FTL oder die Kvart & Bolge Sound Sommeliers (hier abgebildet), haben ihren Charme und liefern oft eine totflache Ansprache und eine wunderbar gleichmäßige Abstrahlung von den unteren Mitten bis zu den unteren Höhen, was sich in glatt ausdrückt und natürliche Sprachwiedergabe. Sie klingen jedoch nicht so luftig oder räumlich wie ein Lautsprecher mit einem typischen 1-Zoll-Hochtöner, und sie spielen nicht wirklich laut oder liefern viel Bass. Aber sie können mit einem Subwoofer ergänzt werden.

Ich sehe nicht, wie Lautsprecher mit größeren Einzeltreibern als High-Fidelity-Produkte angesehen werden können. Einige Audiophile mögen sie, aber soweit ich das beurteilen kann, ist ihre Anziehungskraft eher philosophisch als musikalisch. Die Frequenzgang- und Dispersionsanomalien, die diese Lautsprecher einführen, sind leicht zu hören und zu messen; Daher gibt es meiner Meinung nach keine glaubwürdige Möglichkeit, ihren Klang als natürlich oder neutral zu bezeichnen. Einige dieser Lautsprecher fügen einen Superhochtöner für eine breitere Höhenwiedergabe hinzu, aber ihr Gesamtfrequenzgang ist immer noch rau und ihre Streuung in den unteren Höhen und oberen Mitten eng.

Es gibt auch elektrostatische und magnetoplanare Vollbereichslautsprecher, wie sie von MartinLogan bzw. Magnepan hergestellt werden. Diese sind eine ganz andere Sache, denn sie strahlen den Schall nach hinten und nach vorne ab, was den Dispersionsproblemen entgegenwirkt, die durch die großen Abstrahlflächen der Panels verursacht werden. Viele dieser Lautsprecher verwenden gekrümmte Platten, um ihre Streuung zu erweitern. Sie können keine tiefen Bässe bei hohen Lautstärken oder die Art von fokussierter Abbildung liefern, die ein guter dynamischer Lautsprecher (dh Cones’n’Dome) erzeugen kann, aber dennoch betrachten viele Audiophile und Rezensenten diese Lautsprecher als die besten, die es gibt Preis.

Zwei-Wege-
Lautsprecher (Tieftöner/Hochtöner), die einen einzelnen Tieftöner und einen einzelnen Hochtöner kombinieren, sind am gebräuchlichsten, und einige Audiophile und Rezensenten halten sie für die besten, wobei sie häufig die Maxime "Einfacher ist besser" zitieren. Noch einmal, diese Vorstellung trifft nicht zu. Ja, Zwei-Wege-Lautsprecher sind in der Regel einfacher als Drei-Wege-Modelle, aber diese Einfachheit erfordert einen Kompromiss, der tendenziell bei Frequenzen zwischen zwei und vier kHz auftritt, wo das Ohr am empfindlichsten ist.

Das Problem bei Zwei-Wege-Lautsprechern liegt in der Übergangsstelle, der Frequenz, bei der der Ton vom Tieftöner zum Hochtöner weitergegeben wird. Wie wir oben besprochen haben, je größer der Woofer ist, desto mehr beginnt sich seine Streuung bei höheren Frequenzen zu verengen. Wenn Sie also von den Mitten zu den Höhen gehen, verengt sich die Streuung, wenn sie sich dem Übergangspunkt nähert, und öffnet sich dann wieder weit, wenn der Ton zum Hochtöner übergeht, der normalerweise einen oder 0,75 Zoll im Durchmesser hat und somit den Ton breit und gut nach oben verteilt die oberste Oktave der Höhen (zwischen 10 und 20 kHz).

Eine Lösung besteht darin, einen kleineren Woofer zu verwenden, in diesem Fall opfern Sie die Basswiedergabe. Oder Sie können den Crossover-Punkt nach unten verschieben, sodass der Woofer bei hohen Frequenzen nicht aktiv ist. Aber dann fangen Sie an, den Hochtöner übermäßig zu belasten, der wahrscheinlich nicht genug Strahlungsfläche oder Auslenkung (Bewegung von vorne nach hinten) hat, um diese niedrigeren Frequenzen zu reproduzieren.

Offensichtlich sind viele Lautsprecherdesigner diesen Kompromiss erfolgreich eingegangen, denn es gibt unzählige Zweiwegelautsprecher, die großartig klingen. Mit wenigen Ausnahmen bevorzuge ich Zwei-Wege-Lautsprecher mit 1-Zoll-Hochtönern und Tieftönern, die nicht größer als 5,25 Zoll sind, mit Übergangspunkten nach unten um 2,2 kHz oder so. Natürlich kann jeder Zwei-Wege-Lautsprecher mit einem Subwoofer ergänzt werden.

Hier gibt es allerdings zwei Ausnahmen. Erstens haben einige Hochfrequenztreiber eine ausreichende Reaktion bis hinunter in den Mittenbereich, sodass sie sicher auf einen Tieftöner mit einer niedrigeren Frequenz, typischerweise zwischen 800 Hz und 1,5 kHz, überkreuzt werden können. Dazu gehören Hornhochtöner mit Kompressionstreibern (keine Kalottenhochtöner mit einem hornförmigen Wellenleiter), einige Bändchenhochtöner sowie elektrostatische und magnetoplanare Platten. Aus diesem Grund funktioniert das Zwei-Wege-Design beispielsweise gut in Hornlautsprechern von JBL und Klipsch sowie in elektrostatischen Zwei-Wege-Lautsprechern von MartinLogan.

Die andere Ausnahme ist, dass große Woofer mit geringer bewegter Masse und hoher Empfindlichkeit natürlich klingende Mitten erzeugen und bei relativ hohen Frequenzen überkreuzt werden können. Oft hat der Woofer eine gefaltete Sicke (der Teil, der den Kegel mit dem Korb verbindet) anstelle der üblicheren Halbrollsicke. Mit einem davon können Sie einen Zwei-Wege-Sound über den gesamten Bereich erhalten. Beispiele hierfür sind die professionellen JBL M2-Monitore (hier abgebildet) und die DeVore Fidelity Orangutan-Lautsprecher.

Dreiwege (Tieftöner/Mitteltöner/Hochtöner)
Die meisten Lautsprecherdesigner, die ich kenne, halten ein Drei-Wege-Design für die beste Allround-Wahl. Ein Drei-Wege-Design bietet Ihnen den Vorteil der oben beschriebenen kleinen Breitbandlautsprecher: totflacher Frequenzgang und konsistente Abstrahlung über den größten Teil des Stimmbereichs. Denn die Übergangspunkte liegen in der Regel zwischen Tief- und Mitteltöner bei etwa 300 bis 600 Hz und zwischen Mittel- und Hochtöner bei 2,8 bis vier kHz. Sie erhalten die breite Streuung eines 1- oder 0,75-Zoll-Hochtöners, ohne Bedenken hinsichtlich einer Verzerrung oder eines Ausfalls des Hochtöners. Dem Designer steht es auch frei, einen größeren Woofer (oder zwei oder drei) zu verwenden, um eine tiefere Basswiedergabe zu erzielen. Ein gut konstruierter Drei-Wege-Lautsprecher kann eine hohe Belastbarkeit, einen extrem natürlichen Klang ohne größere tonale Anomalien und eine nahezu perfekte gemessene Leistung liefern.

Das heißt aber nicht, dass Drei-Wege-Lautsprecher in jeder Hinsicht perfekt sind. Lautsprecher, die einen Mitteltöner verwenden, der die gleiche Größe oder nur geringfügig kleiner als der Tieftöner ist, sind üblich; Sie spielen lauter als Lautsprecher mit kleineren Mitteltönern, liefern aber normalerweise nicht diese durchgehend breite Mittenstreuung. Außerdem habe ich einige Drei-Wege-Lautsprecher gehört, bei denen der Mitteltöner mit einer zu hohen Frequenz auf einen großen Tieftöner gekreuzt wurde, wodurch Stimmen unnatürlich aufgebläht klingen, weil sie von einem großen Tieftöner kommen.

Es ist auch schwierig, einen Drei-Wege-Lautsprecher zu niedrigen Kosten herzustellen. Der Designer muss den Mitteltöner, ein separates internes Gehäuse für den Mitteltöner, ein insgesamt größeres Gehäuse und typischerweise zwei oder drei zusätzliche Induktoren, zwei oder drei zusätzliche Kondensatoren und einen zusätzlichen Widerstand hinzufügen. Multiplizieren Sie die Kosten für diese zusätzlichen Teile mit dem Fünf- oder Sechsfachen, um die Erhöhung des Verkaufspreises zu erhalten, fügen Sie dann etwas mehr für den teureren Versand hinzu, und Sie beginnen zu verstehen, warum es nur wenige Drei-Wege-Lautsprecher gibt, deren Preis unter 400 US-Dollar pro Paar liegt.

Eine gängige Variante des Drei-Wege-Lautsprechers ist der Zweieinhalb-Wege-Lautsprecher. Dies verwendet normalerweise einen Hochtöner und zwei oder drei passende Tieftöner. Der Tieftöner, der dem Hochtöner am nächsten ist, wird wie gewohnt auf den Hochtöner gekreuzt. Die Tieftöner darunter sind tiefpassgefiltert, typischerweise bei 300 bis 800 Hz, sodass sie die Bassleistung des oberen Tieftöners verstärken, aber größtenteils außerhalb des Mittenbereichs bleiben. Wenn Sie alle Tieftöner parallel laufen lassen und sie alle zum Hochtöner kreuzen, würden sie sich im Mitteltonbereich gegenseitig stören und bei bestimmten Frequenzen vertikal schmale Schallkeulen (sogenannte "Keulen") erzeugen. Zweieinhalb-Wege-Designs bieten Ihnen zwar mehr Bass als vergleichbare Zwei-Wege-Modelle, stellen aber dennoch die gleichen Herausforderungen wie Zwei-Wege-Lautsprecher dar, wenn es um die Auswahl des richtigen Übergangspunkts zwischen Tief- und Hochtöner geht.

Vier und mehr
Sobald Sie in höherpreisige Modelle einsteigen, werden Vier- und Fünf-Wege-Lautsprecher üblich. Meistens handelt es sich im Grunde genommen um Drei-Wege-Modelle mit einem großen Woofer für tiefere Bässe. Sie haben alle Vorteile von Drei-Wege-Modellen mit noch mehr Bass, aber zu höheren Kosten. Ein Vier-Wege-Design ist besonders vorteilhaft für Lautsprecher mit Frequenzweichen erster Ordnung, da sie ihre Treiber belasten.

Ich habe hier nur an der Oberfläche dieses Themas gekratzt, und ich ermutige Sie, mehr darüber zu erfahren, indem Sie das LDC oder ein anderes gutes Nachschlagewerk über Lautsprecher lesen.