Dipol-Abstrahlung

Was ist ein Dipol-Lautsprecher — und warum strahlt er zur Seite fast nichts ab?

Ein Dipol ist eine Schallquelle, die nach vorn und nach hinten gleich stark abstrahlt, dabei aber gegenphasig: Wo vorn Überdruck entsteht, entsteht hinten Unterdruck. Der einfachste Fall ist eine Membran ohne geschlossenes Gehäuse — eine offene Schallwand, ein Folienwandler, ein Bändchen ohne rückseitige Kammer.

Eine Lautsprechermembran drückt nach vorn immer dann, wenn sie nach hinten zieht. Steckt sie in einer geschlossenen Box, bekommt man von der Rückseite nichts mit. Fehlt die Box, gibt sie nach hinten dasselbe ab wie nach vorn, nur genau umgekehrt — und genau zur Seite hin treffen beide Hälften aufeinander und heben sich fast auf. Ein solcher Lautsprecher schickt deshalb wenig an die Seitenwände, dafür viel an die Wand hinter sich. Tiefe Töne fallen ihm außerdem schwer, weil sich Vorder- und Rückseite dort auch nach vorn ins Gehege kommen. Er braucht deswegen Platz nach hinten, und für den Bass braucht er einen Partner.

Ausführliche Erklärung

Wie die Acht entsteht

Betrachtet man einen Punkt seitlich der Membran, sind beide Seiten gleich weit entfernt. Von vorn kommt ein Überdruck an, von hinten gleichzeitig ein gleich großer Unterdruck — die Summe ist null. Nach vorn und nach hinten dagegen ist jeweils eine Seite deutlich näher, und ihr Anteil überwiegt.

Zwischen diesen Extremen verläuft der Schalldruck mit dem Kosinus des Winkels zur Hauptachse. Das ergibt die namensgebende Acht: zwei gleich große Keulen nach vorn und hinten, dazwischen ein schmaler Bereich, in dem fast nichts abgestrahlt wird.

Diese Charakteristik hat eine bemerkenswerte Eigenschaft: Sie ist frequenzunabhängig, solange die Quelle klein gegenüber der Wellenlänge bleibt. Der Bündelungsgrad Q liegt dann bei 3, das Bündelungsmaß also bei rund 4,8 dB — und zwar über den ganzen Bereich, nicht nur in einem Band. Der gleichmäßige Verlauf des Bündelungsmaßes ist der eigentliche Grund, warum sich diese Bauart in verschiedenen Räumen ähnlich verhält; was der Raum zurückwirft, hat dieselbe Klangfarbe wie das, was direkt ankommt.

Warum der Tiefton wegbricht

Nach vorn ist die Rückseite weiter entfernt als die Vorderseite, und zwar um den Umweg um die Schallwand herum. Ist dieser Umweg groß gegenüber der Wellenlänge, spielt der Rückwärtsanteil vorn kaum eine Rolle. Wird die Welle dagegen lang, nähert sich der Umweg der Null, und die gegenphasige Rückseite hebt die Vorderseite zunehmend auf.

Daraus folgt der Verlauf, der jede Dipol-Konstruktion prägt: Unterhalb der Frequenz, bei der der Umweg einer halben Wellenlänge entspricht, fällt der abgestrahlte Pegel mit 6 dB je Oktave ab — und dieser Abfall kommt zu dem hinzu, den das Chassis ohnehin mitbringt. Eine offene Schallwand braucht deshalb im Bass sehr viel Membranhub und elektrische Entzerrung für einen Pegel, den ein geschlossenes Gehäuse nebenbei liefert. Der übliche Ausweg ist keine größere Schallwand, sondern Arbeitsteilung: Der Dipol spielt oberhalb des Grundtons, darunter übernimmt eine andere Quelle.

Oberhalb der Umwegfrequenz setzt sich das Muster fort. Bei einem Umweg von einer halben Wellenlänge gleicht der Laufzeitunterschied die Gegenphase gerade aus — beide Anteile addieren sich nach vorn, und dort liegt das Maximum. Wächst der Umweg auf eine ganze Wellenlänge, ist die Drehung einmal ganz herum: Die ursprüngliche Gegenphase bleibt bestehen, und nach vorn löscht sich alles wieder aus. Reale Konstruktionen begrenzen den Dipolbetrieb deshalb nach oben, bevor dieser Bereich erreicht ist.

Was das für den Raum bedeutet

Für die Planung folgen daraus drei Dinge.

Die Seitenwände bekommen wenig ab. Steht der Lautsprecher so, dass seine Null zur Seitenwand zeigt, fällt die seitliche Erstreflexion deutlich schwächer aus als bei einem rundstrahlenden Lautsprecher — ohne dass dafür absorbiert werden müsste.

Die Rückwand bekommt viel ab. Was nach hinten geht, ist genauso laut wie das, was nach vorn geht. Es kommt verzögert und gegenphasig zurück und ist damit die bestimmende Reflexion dieser Bauart. Sie lässt sich nutzen — als späte, diffuse Rückwurfebene, die den Raumeindruck weitet — oder sie stört, wenn sie zu früh eintrifft. Was dabei der Wandabstand tut, ist bei dieser Bauart etwas anderes als bei einem Monopol; der eigene Eintrag zum Grenzflächenverhalten führt es aus.

Der Bass braucht einen Partner. Aus dem 6-dB-Abfall folgt eine Übergangsfrequenz und die Frage, wie ein Dipol und ein rundstrahlender Subwoofer am Übergang zusammenfinden — beide haben dort eine andere Richtcharakteristik und koppeln anders an den Raum an.

Häufiges Missverständnis

„Ein Dipol strahlt nach hinten dasselbe ab wie nach vorn, also brauche ich hinten dieselbe Behandlung wie vorn." Der erste Halbsatz stimmt in der Lautstärke, aber nicht im Vorzeichen — und das Vorzeichen ist gerade der Punkt. Der Rückwärtsanteil ist gegenphasig, und was daraus an der Wand hinter dem Lautsprecher passiert, folgt deshalb anderen Regeln als beim rundstrahlenden Lautsprecher. Wer die Rückwand einfach absorbiert, verschenkt zugleich das, was diese Bauart im Raumeindruck auszeichnet.

Das zweite Missverständnis betrifft das Wort selbst. Im Heimkino heißt „Dipol-Lautsprecher" meist eine Produktgattung: ein Surroundlautsprecher mit zwei gegenphasig beschalteten Chassisgruppen auf den Seitenflächen, der so montiert wird, dass die Sitzplätze in seiner Null liegen. Das ist dieselbe Physik, aber eine gezielt gegenteilige Absicht — dort soll die Quelle gerade nicht ortbar sein. Wer über Dipol-Hauptlautsprecher spricht, meint das Umgekehrte: eine Bauart, deren Hauptachse zum Hörplatz zeigt.

Nicht zu verwechseln mit

Bipol: Vorder- und Rückseite laufen gleichphasig, deshalb entsteht keine seitliche Null, sondern eine breite, in der Ebene fast gleichmäßige Abstrahlung. Von außen sieht das aus wie ein Dipol, verhält sich im Raum aber entgegengesetzt.
Dipol-Surroundlautsprecher: dieselbe Charakteristik, aber bewusst mit der Null zum Hörplatz montiert. Das ist eine Montageentscheidung und keine eigene Physik.
Kardioid: strahlt nach hinten kaum ab, statt gegenphasig. Beide haben zufällig dasselbe Bündelungsmaß und verhalten sich an einer Wand völlig verschieden.
Bündelungsmaß: die Zahl, mit der Richtwirkung angegeben wird. Der Dipol ist eine von mehreren Charakteristiken, die auf denselben Wert führen können.

In der Planung

Der häufigere Fall ist nicht die Kaufentscheidung, sondern die umgekehrte Richtung: Ein Paar Dipole steht bereits im Raum oder auf dem Wunschzettel, und die Frage lautet, ob dieser Raum die Bauart überhaupt zulässt. Sie beantwortet sich an der Geometrie, nicht am Gerät.

Die erste Prüfung gilt dem Platz nach hinten. Die Rückwelle ist genauso laut wie die Vorderwelle; ob sie den Raumeindruck weitet oder den Grundton verfärbt, entscheidet allein, wie spät sie eintrifft und auf welche Fläche sie trifft. Ein Meter Abstand ist dafür die untere Größenordnung, und die Wand dahinter will gestaltet sein — diffus, teilabsorbierend, jedenfalls bewusst.

Die zweite Prüfung ist der Freiheitsgrad, den nur diese Bauart hat: Ein Dipol lässt sich so eindrehen, dass seine Null auf die kritischste seitliche Fläche zeigt. Wo eine Glasfront oder eine offene Küche seitlich stört, ist das ein Mittel, das ein rundstrahlender Lautsprecher nicht bietet.

Die dritte Prüfung betrifft den Bass, und sie fällt regelmäßig größer aus als erwartet: Weil der 6-dB-Abfall zusätzlich zum Abfall des Chassis wirkt, braucht es eine zweite Quelle und eine Übergangsfrequenz, die höher liegt als bei einem geschlossenen Lautsprecher gleicher Größe.

Verknüpfte Inhalte

Wie sich Dipole und kardioid abstrahlende Konstruktionen an einer Wand verhalten und warum die üblichen Wandabstandsregeln für sie nicht gelten, steht beim Grenzflächenverhalten; die Regeln selbst führen SBIR und die Wissensseite zum Wandabstand aus. Welche Bauarten typischerweise als Dipol arbeiten, klären Elektrostat und Magnetostat sowie der Bändchenhochtöner. Wie Richtwirkung beziffert wird, steht beim Bündelungsmaß; warum eine offene Fläche im Bass so wenig abgibt, beim Strahlungswiderstand.

Quellen

Richtcharakteristik, Bündelungsgrad und der Abfall unterhalb der Umwegfrequenz folgen der elektroakustischen Standardliteratur; die Anwendung auf Folienwandler stammt aus dem AVITECT-Eintrag zu Elektrostat und Magnetostat.