Hornlautsprecher und Kompressionstreiber

Hornlautsprecher: Die Technik dahinter

Back to the Basics: Holen Sie sich Grundlageninformation zum Thema Hornlautsprecher und Kompressionstreiber!

Ein Hornlautsprecher
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Trichter oder Hornlautsprecher gehören in der Beschallungstechnik in allen Varianten zum Alltag. Die Bandbreite dieses Lautsprechertyps reicht von kleinen gefalteten Trichtern mit 100 V Anschluss für die Beschallung von Bahnsteigen und Fabrikhallen bis hin zu großen Stadionhörnern mit mehreren Wegen und Leistungen im kW Bereich. Es sind jedoch vor allem die kleineren Vertretern unter den Hornlautsprechern, die zu tausenden in öffentlichen Räumen, auf Plätzen, in Verkehrsstationen und Industrieanlagen alljährlich verbaut werden.

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Hornlautsprecher: Definition

Akustisch gesehen handelt es sich bei einem Horn um eine Leitung mit einer stetigen Querschnittsänderung. Die schallverstärkende Wirkung eines Horns ist bereits seit langem bekannt. So wurden bereits in der Antike ausgehöhlte Tierhörner als Signalhörner verwendet und viele Instrumente arbeiten mit Trichtern zur Schallabstrahlung. In der Frühzeit der Beschallungstechnik war der Hornlautsprecher die einzige Möglichkeit hohe Schalldrücke mit Lautsprechern bei nur sehr geringen elektrischen Leistungen zu erreichen.

Das Grundprinzip eines Hornlautsprechers basiert auf der Erhöhung des Strahlungswiderstandes für die Lautsprechermembran. Eine Kolbenmembran, die in eine als unendlich ausgedehnt angenommen Schallwand eingebaut ist, bewirkt durch ihre Auslenkung auf ihrer Oberfläche eine eingeprägte Schnelle der Luftmoleküle. Welche akustische Leistung dabei abgestrahlt wird, hängt mit dem Realteil des Strahlungswiderstandes zusammen, vergleichbar einem eingeprägten elektrischen Strom für einen Widerstand.

Technik eines Hornlautsprechers
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Für eine Kolbenmembran, deren Umfang in Relation zur Wellenlänge klein ist, ist der Realteil des Strahlungswiderstandes gering und somit die abgestrahlte akustische Leistung auch. Der Horntrichter bewirkt nun, vergleichbar einem Übertrager auf der elektrischen Ebene, eine Impedanztransformation. Damit steigt der Realteil des Strahlungswiderstandes und somit auch die abgestrahlte akustische Leistung an. Als eine Grundform des Horntrichters gilt der Exponentialtrichter, dessen Querschnittserweiterung exponentiell wächst.

In der Praxis werden die Abmessungen der Trichter meist durch äußere Vorgaben, wie z. B. einer maximalen Länge etc., bestimmt, so dass der Trichter in seinem Verlauf frühzeitig abgeschnitten werden muss. Für den Entwickler bedeutet das, den optimalen Kompromiss zwischen der Trichtergröße und seinen Eigenschaften zu finden. Je kleiner das Öffnungsmaß ist, desto tiefer liegt die untere Eckfrequenz. Eine tiefe Eckfrequenz ist meist gewünscht, was dazu verleiten könnte ein kleines Öffnungsmaß zu verwenden. Letzteres bewirkt aber wiederum, dass am Trichtermund der Öffnungswinkel noch klein ist und somit eine Strahlungsimpedanz für den Trichtermund mit einem nicht mehr zu vernachlässigenden Imaginärteil entsteht. Ein Teil der Schallenergie wird daher an der Übergangsstelle zwischen Trichtermund und freiem Schallfeld in den Trichter zurück reflektiert und führt zu Resonanzen.

Um die äußere Baulänge eines Trichters zu verkürzen, kann das Horn gefaltet werden. Gefaltete Hörner werden gerne im Tieftonbereich eingesetzt, wo sie wegen der großen erforderlichen Längen des Trichters meist die einzige überhaupt praktikable Lösung sind. Vermehrt sind gefaltete Trichter auch bei kompakten Mittelton-Hörnern für Sprachwiedergabe anzutreffen. Allgemein scheiden gefaltete Verläufe jedoch im Mittel-Hochtonbereich immer dann aus, wenn hohe Ansprüche an die Wiedergabe gestellt werden, da interne Resonanzen und andere Artefacte in nicht mehr zu vernachlässigendem Maße auftreten können.

 

Hornlautprecher im Detail
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Kompressionstreiber

Um den Strahlungswiderstand für eine Lautsprechermembran noch weiter zu erhöhen, als es mit einem Horn möglich ist, kann der Lautsprecher in eine Druckkammer eingebaut werden. Die Membran arbeitet dann nicht mehr direkt auf das Horn, sondern zunächst auf das Volumen der Druckkammer, dessen Austrittsöffnung den Schall in das Horn abstrahlt. Wichtig ist dabei, dass die Austrittsöffnung der Kammer kleiner ist als die Membranfläche. Dann erhöht sich der für die Membran wirksame Strahlungswiderstand entsprechend dem Flächenverhältnis der Membranfläche zur Fläche der Austrittsöffnung der Druckkammer.

Das einfach klingende Verfahren birgt jedoch eine Menge Probleme in sich. Innerhalb der Kammer können sich bei höheren Frequenzen stehende Wellen und somit sehr störende Resonanzen ausbilden. Die Kammern müssen daher möglichst klein ausgelegt und mit Phase Plugs bestückt werden.

Durch die hohe Kompression entstehen große Schallschnellen, die Strömungsgeräusche nach sich ziehen und zu nichtlinearen Verzerrungen führen können. Beide Effekte sind bei der Konstruktion von Kompressionstreibern sehr wichtige Problemstellen, die nur zu mindern aber nicht gänzlich zu vermeiden sind. Diese Problematik setzt sich in den Hörnern fort, wo bei den geringen Anfangsquerschnitten ebenfalls schon so hohe Schalldrücke auftreten, dass Nichtlinearitäten der Luft bei hohen Pegeln zu einer Verzerrung der Wellenform führen. Verzerrungswerte von –20 dB (10%) und mehr sind daher bei Treiber-Hornkombination nicht gerade selten.

Schon dieses kurze Abhandlung über Kompressionstreiber und Hörner dürfte klar machen, dass die Entwicklung von Hornlautsprechern mit Kompressionstreibern voller Schwierigkeiten steckt, woraus sich auch die immer wieder aufgeführten klanglichen Unterschiede und oft auch nicht unerheblichen Defizite dieser Lautsprechertypen erklären dürften.

Auswahlkriterien für Hornlautsprecher

Bevor man einen Hornlautsprecher auswählt, gilt es folgende Aspekte abzuklären:

1)            Wie gestalten sich die äußeren Randbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Chemische Stoffe ..)

2)            Welche Signale sollen Übertragen werden ? (Alarmtöne, Sprache, Musik, …)

3)            Erfolgt die Ansteuerung niederohmig oder in 100 V Technik ?

4)            Welche Schalldruckwerte sind gefordert ?

5)            Welcher Raumwinkel muss abgedeckt werden ?

6)            Wie gestaltet sich das akustische Umfeld ? (Freifeld, halliger Raum, Gefahr von Echos)

7)            Welche Verstärkerleistung steht zur Verfügung ?

Aus diesen teilweise sehr unterschiedlichen Anforderungsprofilen leitet sich die extreme Vielfalt der am Markt erhältlichen Hornlautsprecher ab. Es ist daher nahezu unmöglich zu beurteilen, ob ein Hornlautsprecher nun pauschal gut oder schlecht ist. Vielmehr geht es darum festzustellen, ob er für die jeweilige Aufgabe passend ist oder nicht.

Musik oder Sprache ?

Ein klares Unterscheidungskriterium ist dabei die Art der zu übertragenden Signale. Handelt es sich nur um Alarmtöne, dann dürfte der erzielbare Schalldruck in den relevanten Frequenzbereichen das einzige Kriterium sein. Verzerrungen oder Frequenzgang spielen hier keine Rolle. Für Sprachwiedergabe steigen die Anforderung schon deutlich an, wo zumindest für den absolut minimalen Frequenzbereich von ca. 500 Hz bis 3 kHz (ähnlich der Telefonbandbreite) ein ausgeglichener Frequenzgang und gemäßigte Verzerrungswerte gegeben sein sollten. Deutlich angenehmer und auch verständlich wird es jedoch erst, wenn bei Sprachwiedergabe die Bandbreite um jeweils eine Oktave nach oben und nach unten ausgedehnt wird (250 Hz bis 6 kHz). Die höchsten Anforderungen unter diesen Aspekten stellt die Musikwiedergabe, die für eine den Umständen entsprechende Qualität eine weitgehend saubere Übertragung des Frequenzbereiches von 100 Hz bis 10 kHz als Minimalbedingung fordert. Letzteres könnte z.B. für eine einfache Stadionbeschallung gefordert sein, die primär für eine hochwertige Sprachübertragung und gelegentlich auch für die Einspielung von Musiksignalen genutzt wird.

Aus den hier genannten Eckwerten entstanden die drei in der Messung dargestellten Frequenzbereiche für einfache Sprachwiedergabe (500 Hz bis 3 kHz), für gehobene Sprachqualität (250 Hz bis 6 kHz) und für einfache Musikwiedergabe (100 Hz bis 10 kHz).

TL00-FRE.pcx: Frequenzgang mit Angabe der Sensitivity bezogen auf 1W/1m. Für einen Musterlautsprecher als 100V/10W-System entspricht eine Leistung von 1W an der Nennimpedanz einer Spannung von 31,62 Veff. Die blaue Kurve zeigt die ungeglättete Messung, die rote Kurve die mit Terzbandbreite geglättete Kurve. Die Eckwerte aus der Übersicht werden als Mittelwerte für die drei eingezeichneten Frequenzbereiche von 500 Hz – 3 kHz (105,5 dB), von 250 Hz – 6 kHz (100,7 dB) und von 100 Hz bis 10 kHz (90,6 dB) bestimmt. © Anselm Goertz

100V oder niederohmig ?

Ob ein Lautsprecher über 100 V-Technik oder niederohmig angesteuert wird, darüber entscheidet meist der Gesamtaufbau einer Beschallungsanlage. Sobald es um große Kabellängen und weit vernetzte Systeme geht, ist die 100 V Technik zu favorisieren. Bei nur wenigen Lautsprechern mit kurzen Leitungslängen ist dagegen der niederohmigen Technik ohne Übertrager der Vorzug zu geben. Die Übertrager im Lautsprecher bestimmen zu einem nicht unerheblichen Teil die Signalqualität, da sie je nach Auslegung Verzerrungen, Frequenzgangabweichungen und Signalkompression verursachen können.

 

 

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