Tonangebend – Die Frequenzweiche

Die Frequenzweiche ist ein Bauteil, das versteckt im Inneren in fast jedem Lautsprecher verbaut ist aber was nur die wenigsten kennen. Das Bauteil fehlt lediglich in Breitbandtönern und in Lautsprechern welche die Frequenztrennung über eine Software regeln, so wie z.B. einige Raumfeld Lautsprecher. Eine Frequenzweiche kann auch außerhalb des eigentlichen Lautsprechers zum Einsatz kommen, etwa integriert im Verstärker oder Receiver. Bei Heimkinoverstärkern kann man dies am einfachsten nachvollziehen, schließt man doch hier den Subwoofer für die Basswiedergabe neben den Satelliten separat an. Abgesehen von diesen Technologien benötigt jeder Lautsprecher mit mehr als einem unterschiedlichen Töner im Gehäuse eine Frequenzweiche, wenn er das Tonsignal ungetrennt vom Verstärker erhält. Die Frequenzweiche bestimmt dann – wie der Name schon vermuten lässt – wohin ein bestimmter Signalteil ober- oder unterhalb einer definierten Frequenz geleitet wird. Aufgabe der Frequenzweiche ist es also  jeden Töner genau mit den Signalen zu versorgen, die er am besten verarbeiten kann. Also werden von ihr beispielsweise nur die tiefen Frequenzen an den Tieftöner weitergeben.

Zudem vermeidet sie, dass die sogenannte Resonanzfrequenz eines Lautsprechers getroffen wird. In der Praxis sieht das folgendermaßen aus: Ist die Resonanzfrequenz eines Lautsprechers erreicht, verstärkt der Töner dann womöglich die Amplitude der Membran über den gewünschten Ausschlag hinaus. Tritt das ein, werden einzelne Töne besonders laut und auch verzerrt wiedergegeben. Im schlechtesten Fall kann das gesamte Lautsprechergehäuse kann in Schwingung versetzt werden, wenn die Eigenfrequenz erreicht werden würde.  Das gilt es unbedingt zu vermeiden, denn so wäre ein stimmiges Klangbild passé.

Warum es gilt die Resonanzfrequenz zu vermeiden zeigt das folgende Video, bei dem die Resonanzfrequenz des Glases getroffen wird.

Bass für den Tieftöner, Höhen für den Hochtöner

Am Beispiel eines 3-Wege-Standlautsprechers lässt sich die Funktion der Frequenzweiche verständlich erklären. Ein 3-Wege-Lautsprecher hat drei unterschiedliche Töner im Gehäuse. Diese unterschiedlichen Töner führen im Namen bereits einen Hinweis auf ihre Arbeitsfrequenz, welche ihnen die Weiche zuspielt. Die tiefen Tonfrequenzen gehen nahezu ausschließlich an den Tieftöner, mittlere Tonfrequenzen an den Tiefmittetöner und die Höhen natürlich an den Hochtöner. Damit am Ende bei der Signalausgabe alles genau so klingt, wie es soll, ist es nötig, die Frequenzweiche korrekt einzustellen. Sie ist in jedem Heimkinolautsprecher vorhanden, welcher mindestens zwei unterschiedliche Töner enthält und vom Verstärker ein ungefiltertes Signal erhält. Einige besonders hochwertige Boxen können zusätzlich individuell durch Hoch- und Tiefpassfilter konfiguriert werden.

Hoch- beziehungsweise Tiefpassfilter, lassen entweder nur die hohen oder die tiefen Frequenzen durch und stoppen oder reduzieren den Rest. Achtung hier besteht leichte Verwechslungsgefahr. Den Hochpassfilter kann man auch als Tiefensperre bezeichnen und lässt also nur die hohen Frequenzen „passieren“. Noch leichter merken kann man sich das, wenn sich die Bezeichnungen im Englischen ansieht. Dort heißt der Hochpassfilter – High-pass filter oder low-cut filter. Der Tiefpassfilter erledigt natürlich genau die umgedrehte Aufgabe und lässt nur die tiefen Frequenzen durch, käme also bei einem Tieftöner zum Einsatz.

Tiefpassfilter3

Tiefpass- und auch ein Hochpassfilter können unterschiedlich stark filtern. Man spricht dann von einer bestimmten Ordnung, wie auf dem Bild zu erkennen. In der Regel kommen nur Filter erster bis vierter Ordnung zum Einsatz, wobei der der Filter 6 dB (1.Ordnung) bis 24 dB (4.Ordnung) pro Oktave sperren kann. Davon bekommt man selbst, aber nichts mit. Dieser Vorgang geschieht im Inneren des Lautsprechers auf der Frequenzweiche:

Am Beispiel der Ultima 40 Mk2 kann man die Arbeitsweise eines 3-Wege-Lautsprechers und die Funktion der Frequenzweiche anschaulich nachvollziehen. Wie in der Abbildung zu erkennen, sind im Ultima- Gehäuse insgesamt gleich vier Töner für die Signalausgabe zuständig. Im Ggensatz zu einer landläufigen Annahme muss der  Töner für die hohen Frequenzen nicht immer der oberste, dies ist auch technisch nicht zwingend vorgeschrieben. Dennoch kann man als Faustregeln davon ausgehen, dass tatäschlich der Tönerdurchmesser kleiner wird, je höher sein vorgesehener Frequenzbereich ist. Bei diesem Lautsprecher ist der Hochtöner unter dem Tiefmitteltöner verbaut. Das Klangbild kommt so einer natürlichen Schallquelle etwas näher.

Ultima 40 Mk2
Teufel Ultima 40 Mk2 Stereo Standlautsprecher

Unten am Lautsprechergehäuse befinden sich zwei Tieftöner (nicht bei jedem Standlautsprecher üblich) darüber dann der erwähnte Hochtöner gekrönt vom  Mitteltöner. Auch hier ist also die Arbeit der Frequenzweiche von höchster Bedeutung. Sie muss so genau arbeiten, dass der Frequenzgang des Lautsprechers einen möglichst genauen Wert erreicht. Das ist nur möglich, wenn die Resonanzfrequenz des Lautsprechers nicht getroffen wird und so keine Verzerrungen entstehen oder gar das Lautsprechergehäuse in Schwingung versetzt wird. Der Frequenzgang bezeichnet in der Regel den Amplituden-Frequenzgang, also quasi Angabe des Schalldruckes, gemessen in Dezibel. Grafisch dargestellt wird der Frequenzgang meist durch eine Linie, die möglichst keine Ausschläge anzeigen sollte.

In der Realität ist dies zwar kaum umsetzbar, allerdings wird versucht, sich dem idealen Frequenzgang so weit wie möglich anzunähern. Schließlich kann das menschliche Ohr schon Abweichungen von einem Dezibel wahrnehmen, gerade bei den Mitten. Gute HiFi-Lautsprecher sollten deshalb Abweichungen von maximal drei Dezibel vom Referenzpegel zulassen. Dafür muss im Lautsprecher allerdings eine sehr gut eingestellte Frequenzweiche verbaut sein. Idealerweise übernimmt der Hersteller die Einstellung, denn um eine Frequenzweiche berechnen zu können, bedarf es fundierten Fachwissens.

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Frequenzweiche berechnen

Um eine Frequenzweiche zu berechnen, ist weit mehr Wissen über den Lautsprecher erforderlich, als nur, ob es sich dabei um einen Hoch- oder Tieftöner handelt. Zwar finden sich im Internet einige Anleitungen und Rechner, mit deren Hilfe man die Berechnung selbst vornehmen kann, von diesen sollte der Laie allerdings die Finger lassen. Die tatsächlichen Gegebenheiten eines Lautsprechers kennt niemand so gut wie der Hersteller selbst, weshalb solche Arbeiten ihm überlassen werden sollten. Wer sich aber einen Lautsprecher selbst bauen möchte, kommt zwangsläufig nicht darum herum, die Frequenzweiche zu berechnen. Dann sollte sich der Lautsprecherbauer zuvor aber theoretisches Fachwissen aneignen.

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Teufel Blog Redaktion

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