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       Grundlagen der Tontechnik


Einführung
Bevor wir in die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Konstruktionsweisen einsteigen, soll hier das Grundprinzip des Hörens und die grundsätzliche Funktionsweise eines Lautsprechers kurz erläutert werden.

Professionelle Lautsprecheranlagen werden in der Regel als „PA“ bezeichnet. Diese Abkürzung steht für „Public Adress“, was sinngemäß so viel bedeutet wie „für viele Personen bestimmt“.

Warum hört man Musik?
Das physikalische Prinzip, das hinter dem Phänomen des Hörens steckt, ist das der Schwingung. Jeder Ton stellt eine eigenständige Schwingung der Luft dar. Nur wenn diese Schwingung bis an unser Ohr gelangt, nehmen wir den Ton auch wahr. Im Innenohr wird über das Hörorgan die Schwingung dann in Nervenreize umgewandelt.

Jeder Ton hat eine eigene Frequenz. Die Frequenz wird in Hertz (Hz) angegeben. Je höher der Wert, desto höher der Ton und desto schneller die Schwingung. Basstöne liegen gerade einmal im Bereich von circa 40-150Hz. Musik ist letztlich eine Abfolge und Überlagerung mehrerer Einzeltöne.  

Wie wird Laustärke gemessen?
Die zentrale Einheit für die Angabe von Lautstärken ist Dezibel (dB). Sie gibt den aktuellen Schalldruckpegel (englisch: „Sound Pressure Level“, oder kurz „SPL“) an. Die Lautstärke kann durch spezielle Geräte gemessen werden.

Das menschliche Gehör kann je Qualität Lautstärken von circa 0 bis +130dB wahrnehmen bzw. aushalten. „0“ dB kennzeichnen dabei die grundsätzliche Hörschwelle des menschlichen Ohrs. Messbar sind Lautstärken bis circa 160 dB. Der theoretische Höchstwert liegt bei circa 194dB. Ab circa 120dB sind bleibende Hörschäden, auch bei nur kurzer Einwirkung, zu befürchten.

Eine Lautstärke von zehn Dezibel entspricht in etwa Blätterrauschen, ein Gespräch in etwa 50dB, eine stark befahren Straße 80dB und ein Düsenflugzeug 150dB.

Die Skala der Lautstärke in dB und die empfundene Lautstärke sind nicht proportional. Das bedeutet, dass wenn sich die empfundene Lautstärke verdoppelt, sich nicht auch der gemessene Dezibelwert verdoppelt. Es gibt unterschiedliche Angaben dazu, um welchen Wert eine Messung sich erhöht, wenn die empfundene Lautstärke sich verdoppelt. Die Angaben schwanken zwischen 3 und 10dB. Fakt ist in jedem Fall, dass z.B. das Hinzufügen einer zweiten, gleich lauten Tonquelle, die mit 60dB abstrahlt, in Summe keinen Schalldruckpegel von 120dB erzeugt.

Für die Beurteilung der maximalen Lautstärke von Lautsprechern ist es also erforderlich sich den dB-Wert beziehungsweise den SPL-Wert anzusehen. Dabei ist es auch wichtig, in welcher Entfernung zum Lautsprecher dieser gemessen wurde. In der Regel werden die Messungen in einem Abstand von 1m durchgeführt. Der Pegel nimmt je Meter, den man sich weiter von der Schallqualle entfernt, und je nach verwendetem Lautsprechersystem, um circa 3 bis 6dB ab.

Fehlt die Angabe zum Maximalpegel oder die Angabe über die Messdistanz, kann über die tatsächliche Leistungsfähigkeit des Lautsprechers kaum eine Aussage getroffen werden.

Wie erzeugt ein Lautsprecher einen Ton?
Ein Lautsprecher allein kann niemals einen Ton wiedergeben. Es bedarf zusätzlich immer mindestens folgender Elemente: Signalquelle, Verstärker und Leiter (Kabel). Das Ausgangssignal eines CD-Players allein ist zum Beispiel viel zu schwach, um einen Lautsprecher anzutreiben. Das Signal aus dem CD-Player muss durch einen Verstärker mit mehr Leistung „angereichert“ werden. Verstärker gibt es in unterschiedlichen Leistungsklassen und Funktionsweisen. Dazu später mehr. Das Signal, das dann verstärkt ausgegeben wird, wird per Leiter (Kabel) an den Lautsprecher weitergegeben.

Musik wird in der Tontechnik mittels elektrischer Impulse übertragen. Auch diese Impulse stellen Schwingungen dar und werden in Hz angegeben. Der Strom dieser Impulse muss dann wieder in ein hörbares Signal umgewandelt werden. Das funktioniert grundsätzlich stets nach demselben Prinzip: Das Bauteil, das an einem Lautsprecher den eigentlichen Ton wiedergibt, nennt man „Chassis“ oder auch „Treiber“.

Ein Chassis besteht aus drei Basiselementen: der Membran, einer Spule und einem Dauermagneten. Die Membran ist die (meist schwarze, runde) Fläche, die auf der Vorderweite der meisten Lautsprecher zu sehen ist. Auf ihrer Rückseite, für uns normalerweise unsichtbar, ist die Spule angebracht. Diese ist so montiert, dass, könnten wir durch die Membran hindurch sehen, sie wie eine Röhre die Membran im Zentrum nach hinten verlängert. Die Spule wiederum ruht in dem Dauermagneten, berührt diesen jedoch nicht. Erreicht unser elektrisches Musiksignal nun die Spule, wird in ihr durch den Stromfluss ein Magnetfeld induziert. Dieses Magnetfeld stößt sich von dem Dauermagneten ab. So gerät die Membran in Bewegung. Durch die Bewegung wird Luft in Schwingung versetzt. Das Ergebnis: wir hören Musik!

stark vereinfachter Querschnitt eines Chassis, Seitenansicht

Gehalten wird die Membran meist noch von verschiedenen Bauteilen wie Sicke und Spider, worauf hier jedoch nicht weiter eingegangen werden soll. Außerdem gibt es neben der hier beschrieben Bauart der Konuslautsprecher noch Kalotten und andere Typen. Da die Funktionsweise grundsätzlich gleich ist und sich lediglich in der Anordnung der Bauteile unterscheidet, werden auch diese hier nicht weiter erläutert.

Es gibt spezielle Treiber für tiefe Frequenzen (bis circa 200Hz), mittlere Frequenzen (circa 200-1.500Hz) und hohe Frequenzen (circa 1.500 bis 20.000Hz). Ein Hertz ist dabei eine vollständige Schwingung, also eine Bewegung der Membran aus ihrer Ruheposition nach vorne, nach hinten und wieder in die Ausgangslage. Grundsätzlich lässt sich festhalten, dass ein Chassis umso kleiner ist, je höher die Frequenz ist, die es wiedergeben soll. Basschassis sind also groß, Hochtonchassis klein.

Der Durchmesser von Chassis wird grundsätzlich in Zoll angegeben, wobei ein Zoll in etwa 2,54cm entspricht und durch das Zeichen “ dargestellt wird. Tieftöner haben in der Regel einen Durchmesser zwischen 12 und 18 Zoll, Hochtöner lediglich einen Durchmesser von ein bis zwei Zoll.

Damit ein Lautsprecher das gesamte Frequenzspektrum wiedergeben kann, sind in der Regel zwei bis drei unterschiedliche Chassis erforderlich. Wird ein Chassis dazu gezwungen Frequenzen wiederzugeben, für das es nicht konstruiert wurde, nimmt es in der Regel Schaden. Ein Basstreiber kann zum Beispiel aufgrund seiner Masse und der daraus resultierenden Trägheit kein Musiksignal von 20.000Hz verarbeiten. So schnell kann er nicht schwingen. Ein Hochtontreiber hingegen kann zwar rein physikalisch eine Frequenz von 50Hz wiedergeben, aber durch die geringe Luftmasse, die die kleine Membran dabei bewegen würde, würde man das schlichtweg nicht hören.

Damit jedes Chassis nur die Frequenzen abbekommt, die es auch verarbeiten kann, ist es notwendig das Musiksignal in mehrere Abschnitte aufzuteilen. Diese Aufgabe übernimmt eine Frequenzweiche. Dieses Bauteil wird entweder als ein Element einer Endstufe verbaut, als Bauteil in einen Lautsprecher integriert (passive Frequenzweichen), oder als einzelnes Bauteil in einem separaten Gehäuse ausgeführt (aktive Frequenzweichen).


vereinfachte Darstellung einer 3-Wege-Frequenzweiche

Die Frequenzweichen teilt das Musiksignal und damit die Frequenzen in mehrere voneinander strikt getrennte Abschnitte, zum Beispiel 0-150Hz, 150-1.500Hz, 1.500-20.000Hz. Je nach Bauform können die Grenzwerte, an denen die Untereilungen stattfinden, frei eingestellt werden. Außerdem kann die sogenannte Flankensteilheit, also vereinfacht gesagt wie scharf die einzelnen Frequenzbereiche gegeneinander abgegrenzt sind, gewählt werden.

Lautsprecher, die konstruiert sind um hohe Töne wiederzugeben, nennt man „Hochtöner“ oder „Tops“. Lautsprecher, die dafür konstruiert sind tiefe Töne wiederzugeben, nennt man „Tieftöner“, „Subwoofer“ oder einfach „Sub“.
 
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