Horn (Lautsprecher)
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Mit Horn bezeichnet man in der Beschallungstechnik eine Art von Lautsprechern, bei der ein oder mehrere Treiber über einen genau definierten, im Querschnitt ständig zunehmenden Schallkanal an die Umgebung angekoppelt sind.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Begriffe
Um die in diesem Artikel benutzten Begriffe klar voneinander trennen zu können, wird folgende Nomenklatur benutzt:
- Treiber ist das eigentliche Lautsprecherchassis, welches in die Boxenkonstruktion eingebaut wird.
- Horn ist der Schallkanal von der Halsöffnung (am Treiber) bis zur Mundöffnung (zur Außenwelt). Geometrisch und akustisch wird das Horn durch seine Kontur, dh. durch den Verlauf der Querschnittsfläche über die Hornlänge, bestimmt.
- Hornhals ist die kleinere Endfläche des Hornes, an die direkt oder mittels eines Phasenkorrekturkörpers der Treiber montiert wird.
- Hornmund ist die größere Endfläche des Hornes, die die akustische Leistung an die Umgebung abgibt.
- Raumwinkel ist von dem Aufstellungsort des Lautsprechers abhängig. Es wird unterschieden zwischen völlig freier Aufhängung, Aufstellung auf einer Fläche, Aufstellung auf einer Fläche vor einer Wand und Aufstellung in einer Ecke.
- Gehäuse ist die Konstruktion, in die sowohl Treiber als auch Horn eingebaut werden. Selbstverständlich können Teile des Gehäuses auch Bestandteile des Horns sein. Gelegentlich wird das Gehäuse dazu genutzt, einen Teil der vom Treiber rückseitig in das Gehäuse abgestrahlten akustischen Energie nach außen zu führen. Es entsteht z. B. eine Kombination zwischen Bassreflexbox und Hornlautsprecher. Auf weitere Gehäusebestandteile wie Anschlüsse, Schutzkanten, Transport- bzw. Montagefittings soll hier nicht eingegangen werden.
- Lautsprecher bzw. Box ist schließlich das gesamte Gebilde.
[Bearbeiten] Grundlagen
Aufgabe eines Lautsprechers ist es, die ihm zugeführte elektrische Energie möglichst effizient an den ihn umgebenden Raum abzugeben. Dabei werden insbesondere drei Anforderungen gestellt:
- hoher Wirkungsgrad (aus der zugeführten Energie soll eine möglichst hohe Lautstärke erzielt werden, s.a. Wellenwiderstand)
- hohe Wiedergabetreue (der Klang soll möglichst nicht verfälscht werden)
- geringe Baugröße, falls die Lautsprecher transportabel sein sollen. Bei Festeinbauten (z.B. in Theatern, Kinos oder Diskotheken) spielt die Größe keine so entscheidende Rolle mehr.
Die Schwierigkeit im Lautsprecherbau besteht nun darin, sich diese drei Anforderungen gegenseitig beeinflussen, so dass zwischen ihnen ein möglichst hochwertiger Kompromiss gefunden werden muss.
Da in diesem Artikel immer wieder von Frequenzen und den dazugehörigen Wellenlängen die Rede ist, folgen hier einige typische Töne und die dazugehörigen Frequenzen und Wellenlängen (ausgehend von einer Schallgeschwindigkeit von 340 m/s):
- Kammerton a: 440 Hz bzw. 0,77 m
- Untere Grenze des menschlichen Hörspektrums: 16Hz bzw. 21,25 m
- Tiefster Ton auf einer modernen Bassgitarre (tiefes H): 30 Hz bzw. 11,33 m
- tiefster Ton auf dem Klavier: 28 Hz bzw. 12,15 m
- höchster Ton auf dem Klavier: 4,224 kHz bzw. 0,08 m
Ein direktstrahlender Lautsprecher, also ein Lautsprecherchassis, etwa in einer Schallwand, besitzt, wie jeder andere akustische Strahler auch, eine akustische Impedanz, die vor allem von seiner Geometrie (hier vor allem Durchmesser) und von der spezifischen Dichte und Kompressibilität der Umgebungsluft abhängig ist. Steigt die Wellenlänge des zu übertragenden Signals über den Umfang des kreisrunden Strahlers, entsteht eine Fehlanpassung, die den Wirkungsgrad des elektroakustischen Wandlers deutlich mindert. Eine Lösung wäre, den Durchmesser beträchtlich zu erhöhen. Dies scheidet jedoch regelmäßig wegen der Neigung einer sehr großen Lautsprechermembran, phasengedrehte Partialschwingungen zu erzeugen, aus. Zudem sprechen konstruktive Gründe oft dagegen.
Gerade bei großen Beschallungsanlagen ist es erwünscht, die Schallenergie dorthin zu lenken, wo sie benötigt wird; andersherum soll oft vermieden werden, andere Gebiete zu beschallen. Der Schall soll also gerichtet werden. Dies ist am einfachsten möglich, indem der Strahler (gemeint ist immer der aktive Teil eines Lautsprechers, also die phasenrichtig schwingenden Membranteile) eine der größten übertragenen Wellenlänge gleiche oder größere Abmessung besitzt. Bei sehr niedrigen Frequenzen ist dies nur durch die Verwendung einer Schallführung (z. B. eines Hornes) oder durch Lautsprecherarrays möglich.
[Bearbeiten] Hörner als Schallverstärker
Kennzeichnend für ein Horn als Schallverstärker ist es, dass bei einer im weitesten Sinne trichterartigen, vom einen bis zum anderen Ende im Durchmesser stets zunehmenden Vorrichtung am kleinen Ende ein Schallerzeuger angebracht wird, dessen Töne vom Horn gebündelt und gerichtet abgestrahlt werden. Dieses Hornprinzip ist keine Erfindung der Neuzeit. Schon in der Antike machte man sich die spezielle Form von Tierhörnern zu Nutze, um damit möglichst laute Signale erzeugen zu können. Weitere Beispiele für die Anwendung des Hornprinzips außerhalb der Lautsprechertechnik sind:
- Blechblasinstrumente wie Trompeten, Posaunen, Tuben oder Alphörner
- "Flüstertüten", die Vorläufer der Megafone, bestehend aus einem trichterförmigen Blechrohr mit einer Einsprechöffnung am kleinen Ende (bekannt z.B. vom Steuermann im Ruderachter, der auf diese Weise seine Kommandos verstärken kann)
- Schalltrichter eines Trichtergrammophons
Das Funktionsprinzip eines akustischen Horns ist das eines akustischen Impedanztransformators. Grob vereinfacht könnte man sagen, dass das Horn die Halsfläche (i. d. R. die des Treibers) auf die Mundfläche vergrößert. Mit der Flächenzunahme ist eine deutlich bessere Anpassung der akustischen Impedanz des Lautsprechers an die des Umgebungsmediums gegeben, was neben anderen Effekten einen stark verbesserten Wirkungsgrad nach sich zieht.
[Bearbeiten] Vorteile
Akustische Hörner besitzen dank der impedanzrichtigen Kopplung zwischen Lautsprecher und Abhörraum einen überlegenen Wirkungsgrad. Gerade Verstärker geringer Leistung (z. B. Class-A-Verstärker mit Elektronenröhren) können mit Hornlautsprechern ihre strukturellen Vorzüge zur Geltung bringen.
Der entscheidende Vorzug des Hornprinzips liegt darin, dass die Treibermembran infolge der Impedanztransformation sehr viel stärker belastet wird und deshalb weitaus weniger weit ausschwingt. Somit bewirkt das Hornsystem geringere lineare Verzerrungen und was schwerer wiegt, wesentlich geringere Intermodulationsverzerrungen.
Ihre systembedingte Richtwirkung spielt vor allem dort eine entscheidende Rolle, wo Schall gezielt adressiert werden soll (long throat) und/oder wo bestimmte Flächen nicht oder nur gering beschallt werden sollen. Bei der professionellen Beschallung großer Flächen (Stadien) oder Volumina (Säle) sind Hornlautsprecher unverzichtbar.
[Bearbeiten] Nachteile
Hornlautsprecher, ganz gleich für welchen Frequenzbereich, sind aufwändig und in aller Regel teuer in ihrer Herstellung. Vor allem Hörner für tiefe Frequenzen sind groß und müssen/sollten in der Raumecke oder vor einer Wand aufgestellt werden, was die Standortwahl einschränkt.
Hornlautsprecher für tiefe Frequenzen stellen immer einen Kompromiss zwischen Raumbedarf, Materialverbrauch, Kosten sowie unterer Grenzfrequenz und linearem Frequenzgang dar. Um überhaupt einen akzeptablen Frequenzgang bei tolerierbaren Abmessungen zu ermöglichen, sind Basshörner i. d. R. sogenannte Falthörner, dh. die in der Theorie gerade Hornachse wird zugunsten einer optimalen Ausnutzung des quaderförmigen Gehäusevolumens ein- oder mehrfach um 90° geknickt. Dies bleibt nicht ohne Konsequenz für die Linearität des Frequenzganges.
Der Betrag der akustischen Impedanz des Mundes eines endlich langen Hornes, und dieser ist für den Frequenzgang im Wesentlichen maßgeblich, folgt der sogenannten Neumann-Funktion, die ihrerseits eine von der unteren Grenzfrequenz zu höheren Frequenzen hin abnehmende Welligkeit hat. Kurz: das reale, daher endlich lange Horn hat einen unvermeidbar welligen Frequenzgang in der Nähe seiner unteren Grenzfrequenz.
[Bearbeiten] Akustischer Kurzschluss
Ein akustischer Kurzschluss entsteht dadurch, dass die Treibermembran bei der Bewegung nach vorne vor sich einen Druckanstieg und gleichzeitig hinter sich einen gleichstarken Druckabfall erzeugt. Wenn nun der Treiber weder in ein Gehäuse noch in eine Schallwand eingebaut ist, gleichen sich die Druckverhältnisse bei Frequenzen, deren Wellenlänge größer als die Hälfte des Lautsprecherdurchmessers ist, aus, so dass ab dieser Frequenz nach unten hin kaum noch eine effektive Abstrahlung zustandekommt.
[Bearbeiten] Unterbindung des akustischen Kurzschlusses
Um diesen akustischen Kurzsschluss zu unterbinden, braucht man entweder eine Schallwand, in die der Treiber eingebaut wird (mit zunehmender Größe der Schallwand, d.h. mit zunehmeder Entfernung, die der Schall von der Rückseite bis zur Vorderseite des Treiber zurückzulegen hat, sinkt die Frequenz, ab der der akustische Kurzschluss stattfindet) oder ein Gehäuse, das die rückwärtige Abstrahlung entweder unterbindet (geschlossenes Gehäuse) oder sich zunutzemacht (Bassreflexgehäuse, z.T. Hörner und andere Bauprinzipien).
[Bearbeiten] Horntypen
Die verschiedenen Hörner unterscheiden sich im wesentlichen durch ihre Geometrie, d.h. durch die Zunahme des Horndurchmessers von der Hals- bis zur Mundöffnung. Das bestimmende Merkmal für den erzielbaren "Tiefgang" des Hornes ist dabei die Größe der Mundöffnung Jede dieser Formen hat ihre Vor- und Nachteile.
Der älteste und am weitesten verbreitete Horntyp ist das Exponentialhorn. Wie der Name erwarten lässt, erweitert sich die Querschnittsfläche des Hornes vom Hals zum Mund entsprechend einer Exponentialfunktion. Viele Klassiker der Hornlautsprecher arbeiten nach diesem Verfahren. Das Exponentialhorn optimiert die akustischen Vorgänge im Inneren des Horns, lässt aber die detaillierten Anpassungsvorgänge des Hornmundes z. T. außer Betracht. Es wird unterstellt, dass die ebene Wellenform im Horn sich als ebene Welle vom Hornmund löst.
Letzteres Problem wird im Design des Kugelwellenhornes aufgegriffen und weitestgehend gelöst. Die Kontur des Kugelwellenhornes ist eine Traktrix, womit eine sphärische Wellenform im Design vorausgesetzt ist. Diese entsteht naturgemäß bei der Ablösung der Welle vom Hornmund.
Andere Hornkonturen bzw. Regeln der Bestimmung der Querschnittsflächen bewirken entweder ungünstigere Impedanzanpassungen oder einen weitaus welligeren Frequenzgang.
[Bearbeiten] Konisches Horn
Die akustische Impedanz am Hornhals des konischen Horns, die dem Frequenzgang im unteren Frequenzbereich eines Horns weitgehend proportional ist, weist einen vorzeitigen Abfall zu tiefen Frequenzen hin auf. Je nach gewählter Geometrie des zu vergleichenden in Länge, Hals- und Munddurchmesser identischen konischen Hornes und des Exponentialhorns liegt die untere Grenzfrequenz des konischen Horns um wenigstens zwei Oktaven über der des Exponentialhorns. Allerdings ist die Welligkeit im unteren Frequenzbereich deutlich geringer.
