Impedanz – Wie Verstärker und Lautsprecher zusammenarbeiten

Ein Musiksignal besteht aus einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen, die vom Verstärker an die Lautsprecher verteilt werden. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit Wasser, das mit unterschiedlichem Druck durch einen Schlauch fließt. Je nachdem, wie der Schlauch beschaffen ist, ergibt sich unter Druck ein gewisses Volumen, das zu einem bestimmten Zeitpunkt an einer bestimmten Stelle des Schlauchs besteht.

Doch nun zum Begriff Impedanz. Der Begriff kommt vom lateinischen Wort „impedire“ und bedeutet so viel wie „hemmen“ oder „hindern“. Im Grunde beschreibt die Impedanz den elektrischen Widerstand auf ein Signal. Worin sich physikalische und akustische Impedanz unterscheiden und was sie mit HiFi-Lautsprechern zu tun hat, wird im Folgenden geklärt.

Physikalische Impedanz – Induktivität und Kapazität

Um beim Beispiel des Wasserschlauchs zu bleiben: Fließt Wasser durch ihn, lenkt der Schlauch bekanntlich das Wasser durch seine Bahn, es liegt ein sogenannter Wirkwiderstand vor. Die Impedanz hingegen weist daneben noch einen sogenannten Blindwiderstand auf, der von der Frequenz der anliegenden Spannung abhängt. Hier greift das Beispiel mit dem Wasser nicht mehr, stattdessen ist abstraktes Denken nötig: Der Blindwiderstand verhält sich so, dass der Widerstand der Impedanz in Bezug auf verschiedene Frequenzwerte nicht konstant ist. Deshalb unterscheidet man zwischen induktiven und kapazitiven Blindwiderständen.

Induktive Werte finden sich in den Spulen der Lautsprecher, aber auch in einfachen Bauelementen wie dem Stromkabel. In jedem stromdurchflossenen Leiter befindet sich ein Magnetfeld, durch dessen Aufbau der Blindwiderstand der Induktivität hervorgerufen wird. Das entstandene Magnetfeld wird nach jedem Polaritätswechsel eingerissen und neu aufgebaut, wodurch sich die Induktivität proportional zur anliegenden Frequenz verhält.

Im Gegensatz zur Induktivität verhält sich die Kapazität nicht proportional zur anliegenden Frequenz. Ursache hierfür ist der Aufbau eines elektrischen Feldes: Der Katalysator im Lautsprecher hat die Fähigkeit elektrische Ladungen aufzunehmen. Dabei ist allerdings Folgendes zu beachten: Je häufiger der Strom seine Richtung bzw. seine Polarität ändert, desto weniger Ladung fließt pro Zeiteinheit. Strömt also eine frequenzlose Gleichspannung auf den Katalysator ein, kann dieser bald keine Ladungen mehr fassen. Der sogenannte Kapazitätsanschlag ist dann schnell erreicht, vergleichbar mit einem bis zum Rand gefüllten Fass. Der kapazitive Widerstand sperrt dann die weitere Stromzufuhr. Dagegen wirken ein Kondensator (Foto), der die Aufgabe hat, sich zu entladen, und die Spule, die für den Abbau des Magnetfeldes zuständig ist. Die Blindleistungen stellen ein hochkomplexes System aus Strom-Spannung-Phasenverschiebungen dar.

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Akustische Impedanz – Welche Box an welchen Verstärker?

Auch die akustische Impedanz beschreibt einen Widerstand. Wie der Name schon vermuten lässt, allerdings einen akustischen und keinen elektrischen. Die akustische Impedanz ist demnach vor allem in der HiFi-Welt zuhause. Sie wird aufgeteilt in die drei folgenden Unterkategorien:

  • Die akustische Feldimpedanz, auch Schallkennimpedanz genannt, beschreibt den Widerstand, der der Schallausbreitung im freien Schallfeld entgegenwirkt.
  • Die akustische Flussimpedanz, oft einfach nur akustische Impedanz genannt, bezeichnet den Widerstand, der bei der Schallausbreitung in Rohren auftritt.
  • Die mechanische Impedanz beschreibt dagegen den Widerstand, der durch mechanische Schwingungen ausgelöst wird, beispielsweise durch Mikrofone oder die Lautsprechermembran.

Als Endverbraucher müssen einen diese Aufteilungen nicht unbedingt interessieren. Jetzt, wo geklärt ist, was die Impedanz ist, kann es an die Praxisbeispiele gehen. Mit der Impedanz wird man als Kunde erst konfrontiert, wenn die Frage „welcher Lautsprecher und welcher Verstärker?“ aufkommt. Dann nämlich sollte man als Käufer durchaus drauf achten, welche Werte auf den Lautsprechern und welche auf dem Verstärker angegeben sind. Die mit Abstand verbreitetsten Werte sind hier 4 beziehungsweise 8 Ohm. Das heißt, ein Lautsprecher der mit 4 Ohm Impedanz ausgewiesen ist, muss an einem Verstärker angeschlossen werden, der diesen Widerstand mit genügend Leistung versorgen kann. So einen Verstärker zu finden sollte aber kein Problem sein, denn die meisten aktuellen Geräte arbeiten mit 4 und 8 Ohm.

In der Regel muss man dann aber am Verstärker einstellen, mit welchem Widerstand man arbeiten möchte. Die meisten Modelle verfügen deshalb über einen Impedanzschalter, mit dem sich leicht zwischen 4 und 8 Ohm wählen lässt. Wer nun aber glaubt, man könne eine 8 Ohm Lautsprecherbox nur an einen 8 Ohm fähigen Verstärker anschließen, der liegt falsch. Zwar stimmt es schon, dass nur die passende Kombination die volle Leistung des Verstärkers bringt, theoretisch lässt sich ein 8-Ohm-Lautsprecher aber auch an einem 4-Ohm-Verstärker betreiben. Nur dann kann der Lautsprecher nicht die volle Leistung des Verstärkers wiedergeben. Andersherum geht es auch, das aber ist mit Vorsicht zu genießen. Wer seine 4-Ohm-Box an einem 8-Ohm-Verstärker anschließt, überfordert diesen einfach. Oft wird der Amp überlastet, läuft heißt, geht gegebenenfalls sogar kaputt.

Die Impedanz steht im Dienst der perfekten Soundqualität

Spulen und Kondensatoren haben die Aufgabe, bestimmte Signale in Abhängigkeit ihrer Frequenz zu sperren oder durchzuleiten. In der HiFi-Technik kommen die Bauelemente vor allem in den Lautsprecher-Frequenzweichen vor. Um ein einfaches Beispiel zu nennen: Ein einzelner Kondensator kann für hohe Töne zuständig sein, während er tiefere Frequenzen sperrt.

Faktisch hat die Impedanz starken Einfluss auf die aufgenommene elektrische Leistung. Das bedeutet, dass Stromfluss und Spannungsverlauf von der Impedanz abhängen und dadurch stark schwanken können. Multifrequente Musiksignale rufen starke Impedanzschwankungen hervor, was Lautsprecher vor besondere Herausforderungen stellt. Die Versorgungsquelle einer HiFi-Anlage besteht aus dem Verstärker, der in Verbindung mit den Lautsprechern für den Dämpfungsfaktor von Kapazität und Induktivität sorgt. Die Blindleistung wird so verhindert, was außerdem auf die Kabelverbindung zwischen Verstärker und Lautsprecher zurückzuführen ist. Für die Fähigkeit eines Verstärkers, Strom zu liefern, verschmelzen Kabel und Lautsprecher bzw. Vorverstärker zu einer Einheit. Dabei wird die Bedeutung von passend ausgesuchten HiFi-Verbindungskabeln deutlich, denn allein auf einen wattstarken Verstärker zu setzen, reicht nicht aus. Laststabilität ist ebenso wichtig, um beispielsweise tonale Verfärbungen zu vermeiden.

Die beschriebene Thematik gilt natürlich nicht nur für die Verbindung zwischen Verstärker und Lautsprecher, sondern im Grunde für jede elektrische Geräteverbindung. Genauer beschrieben werden die Phänomene unter den Begriffen Eingangsimpedanz und Ausgangsimpedanz.

Eingangsimpedanz und Ausgangsimpedanz

Ein Verstärker ist so konzipiert, dass er eine geringe Ausgangsimpedanz vorweist. Dadurch können Eigenschwingungen von Lautsprechermembranen abgedämpft werden. Außerdem werden die wechselhaften Impedanzen der Lautsprecherboxen bei der Soundwiedergabe besser verarbeitet und geben zudem eine konstante Verstärkerspannung ab. All dies optimiert die Soundqualität. Im Kontrast zur Ausgangsimpedanz steht der Widerstand am Eingang eines HiFi-Gerätes. Aufgrund der Spannungsanpassung muss die Eingangsimpedanz die des Ausgangs übersteigen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Impedanz das Verhältnis von elektrischer Spannung an einer HiFi-Anlage zu aufgenommenem Strom angibt. In jedem Lautsprecher ist eine Spule verbaut, die wiederum einen elektrischen Widerstandswert aufweist, der in Ohm gemessen wird. Auch die Impedanz ist im Prinzip ein Widerstandswert, nur dass dieser bei Wechselspannungen bzw. -strömungen einen anderen Wert aufweist, einen sogenannten Wechselstromwiderstand. Jeder Verstärker einer HiFi-Anlage ist für den Anschluss einer bestimmten Impedanz ausgelegt. Für die Wahl der Lautsprecher, aber auch der Kopfhörer gilt demnach, dass diese möglichst mit der Impedanz des Verstärkers übereinstimmen sollten. Kombiniert man unterschiedliche Geräte, können Qualitätseinbußen auftreten. Dies betrifft in der Regel die Lautstärke. Mit der Impedanz lässt sich also herausfinden, inwieweit ein Lautsprecher den Verstärker in Abhängigkeit zu dessen Ausgangsimpedanz belastet.

Dies wird abschließend an einem konkreten Beispiel erklärt. Angenommen, ein Verstärker hat eine Ausgangsimpedanz von 8 Ohm, dann würde er bei Lautsprechern mit nur 2 Ohm Impedanz sehr stark belastet werden. Von Vorteil sind daher Verstärker mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz, da diese Verstärker Lautsprecher mit 2 oder 4 Ohm mit hohen Stromstärken versorgen können. Die gängigen Impedanzwerte eines Verstärkers liegen bei 4, 6 oder 8 Ohm.

Titelbild: „Impedanzverlauf eines Lautsprechers“ von Pietz – Eigenes Werk. Lizenziert unter Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 über Wikimedia Commons –
Bild 2 Kondensator: © By Elcap, Jens Both (Own work) [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

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Teufel Redaktion

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