Grenzflächenverhalten von Dipol- und Kardioid-Lautsprechern

Die üblichen Aussagen zum Wandabstand — die Auslöschungsrechnung f ≈ 86/d und die Regel „bündig oder mehr als einen Meter davor" — gelten für Lautsprecher, die im Bass in alle Richtungen gleich abstrahlen. Konstruktionen, die nach hinten gegenphasig abstrahlen (Dipol) oder nahezu gar nicht (Kardioid), verhalten sich an derselben Wand nicht nur ein wenig anders: Beim Dipol ist das Interferenzmuster gegenüber dem Rundstrahler vertauscht, beim Kardioid fällt es in seinem Arbeitsband weitgehend weg.

Ausführliche Erklärung

Woran die bekannten Regeln hängen

Beide Rechnungen im Bestand setzen dasselbe voraus. Der Baffle Step beschreibt den Übergang vom Halbraum in den Vollraum und geht davon aus, dass der Lautsprecher zu tiefen Frequenzen hin in alle Richtungen abgibt. SBIR beschreibt die Überlagerung des Direktschalls mit seiner Reflexion an der Fläche hinter dem Lautsprecher und geht davon aus, dass der Anteil, der zur Wand läuft, mit dem nach vorn gleichphasig ist.

Genau diese zweite Voraussetzung ist die entscheidende. Die Wand wirkt wie ein Spiegel: Sie erzeugt eine zweite, gleich starke Quelle im selben Abstand dahinter. Beim rundstrahlenden Lautsprecher hat diese Spiegelquelle dasselbe Vorzeichen wie das Original. Bei einem Dipol hat sie das umgekehrte — und damit dreht sich die ganze Rechnung um.

Der Dipol an der Rückwand

Der Umweg über die Wand beträgt in beiden Fällen zweimal den Wandabstand. Beim Monopol treffen sich Direktschall und Reflexion gegenphasig, wenn dieser Umweg einer halben Wellenlänge entspricht — das ergibt die bekannte erste Auslöschung bei f ≈ 86/d. Beim Dipol startet der Rückwärtsanteil bereits gegenphasig. Nach demselben Umweg liegt er deshalb wieder in Phase und addiert sich. Die Auslöschung tritt erst dort ein, wo der Umweg einer ganzen Wellenlänge entspricht — also bei f ≈ 172/d, eine Oktave über der Frequenz, bei der der Monopol seine Kerbe hat.

Die mittlere und die rechte Spalte sind der eigentliche Befund: Beim Dipol liegt eine Überhöhung genau dort, wo der Monopol sein Loch hat. Eine Aufstellungsempfehlung, die für die eine Bauart gerechnet ist, zeigt bei der anderen also nicht etwa ein abgeschwächtes, sondern das umgekehrte Ergebnis.

Warum der Dipol nahe der Wand seinen Tiefton verliert

Der wichtigere Teil steckt unterhalb dieser Tabelle. Wird die Wellenlänge sehr groß gegenüber dem Umweg, kommen Original und Spiegelquelle praktisch gleichzeitig an — und weil sie gegenphasig sind, heben sie sich auf. Der Dipol verliert an einer Wand also nicht bei einer bestimmten Frequenz Pegel, sondern im gesamten Tiefton, und zwar umso mehr, je näher er steht.

Das trifft eine Bauart, die im Bass ohnehin schon mit 6 dB je Oktave abfällt: Nahe der Wand kommen weitere 6 dB je Oktave hinzu. Der rundstrahlende Lautsprecher erlebt an derselben Stelle das Gegenteil — für ihn ist die Wandnähe im Tiefton ein Gewinn.

Damit steht die Aufstellungslogik für den Dipol auf dem Kopf. Beim Monopol ist Wandnähe eine Abwägung zwischen Pegelgewinn und Auslöschungsfrequenz. Beim Dipol gibt es diese Abwägung nicht: Abstand ist im Tiefton immer besser, und die Frage lautet nur, wie viel der Raum hergibt.

Was die seitliche Null wert ist

Der Dipol hat an denselben Grenzflächen auch einen Vorteil, und er wird in der Diskussion um den Wandabstand meist übersehen. Seine Null liegt in der Ebene senkrecht zur Hauptachse — bei einem nach vorn ausgerichteten Lautsprecher also dort, wo Seitenwände, Boden und Decke liegen. Diese drei Flächen bekommen deutlich weniger ab als bei einem rundstrahlenden Lautsprecher, und damit fallen auch die Beiträge schwächer aus, die sie sonst zum Interferenzmuster liefern. Der Dipol tauscht also mehrere mittelschwere Grenzflächenprobleme gegen ein einziges großes an der Rückwand — und dieses eine ist das, das sich über den Abstand steuern lässt.

Der Kardioid

Ein Kardioid strahlt nach vorn ab und nach hinten idealerweise gar nicht; dazwischen fällt der Pegel stetig. Erzeugt wird die Charakteristik durch Überlagerung: Ein rundstrahlender Anteil und ein Dipolanteil gleicher Stärke addieren sich vorn und heben sich hinten auf. Praktisch geschieht das entweder über eine bedämpfte rückseitige Öffnung, deren akustische Laufzeit dem Umweg um das Gehäuse entspricht, oder über ein zweites Chassis, das verzögert und gegenphasig angesteuert wird.

Für die Grenzfläche bedeutet das die einfachste aller Lagen: Was nicht zur Wand läuft, kann auch nicht zurückkommen. Die Kerbe aus der Rückwandreflexion fällt weitgehend weg, und mit ihr der Grund, Abstand zu halten. Genau dafür wird die Bauart gebaut — sie macht eine wandnahe Aufstellung im Bass überhaupt erst sauber.

Nebenbei fällt dabei etwas auf: Dipol und Kardioid haben denselben Bündelungsgrad und damit dasselbe Bündelungsmaß von rund 4,8 dB, und trotzdem verhalten sie sich an der Wand grundverschieden. Das liegt daran, dass die Zahl nur angibt, wie stark eine Quelle bündelt, aber nicht, wohin der übrige Schall geht — und an der Grenzfläche entscheidet genau dieser Anteil.

Wo die Kardioid-Wirkung aufhört

Die Überlagerung funktioniert nur in dem Band, für das die Laufzeit ausgelegt ist. Darüber zerfällt das Muster, weil der Umweg in die Größenordnung der Wellenlänge kommt. Und darunter — der praktisch wichtigere Fall — verliert der Dipolanteil an Wirkung, die Quelle nähert sich wieder dem Rundstrahler, und damit kehren die Regeln des Monopols zurück.

Das ist die Einschränkung, die in der Planung zählt: Ein passiv arbeitender Kardioid deckt typischerweise ein bis zwei Oktaven ab. Liegt der problematische Wandabstand unterhalb dieses Bands, hilft die Konstruktion dort nicht. Aktive Ausführungen mit zweitem Chassis erweitern den Bereich nach unten und bezahlen das mit Wirkungsgrad, Hub und einem zweiten Verstärkerkanal — die rückwärtige Abstrahlung wird nicht vermieden, sondern aktiv aufgehoben, und diese Arbeit kostet Energie.

Häufiges Missverständnis

„Dipole brauchen Wandabstand wegen der Rückwandreflexion." Das ist zwar richtig, aber es benennt den kleineren der beiden Gründe. Die Reflexion ist eine Frage der Klangfarbe und des Raumeindrucks. Der Pegelverlust im Tiefton dagegen ist eine Frage dessen, ob der Lautsprecher unten überhaupt noch etwas liefert — und der wächst mit jedem Zentimeter, den man ihn zur Wand schiebt. Wer den Abstand aus optischen Gründen verkleinert, verliert nicht ein bisschen Räumlichkeit, sondern Bass.

Das zweite Missverständnis betrifft den Kardioid: „kardioid heißt wandnah ohne Nachteile." Innerhalb des Arbeitsbands stimmt das weitgehend. Darunter ist der Lautsprecher wieder ein Monopol, und dort gilt die gewöhnliche Rechnung — inklusive Wandgewinn im Tiefton, den die Einmessung dann zurücknehmen muss. Die richtige Frage an ein Datenblatt lautet deshalb nicht „ist es kardioid", sondern „in welchem Frequenzbereich".

Nicht zu verwechseln mit

• SBIR: dieselbe Spiegelquellen-Rechnung, aber für den rundstrahlenden Lautsprecher. Der eigene Eintrag führt sie aus; dieser hier benennt nur ihre Voraussetzung und was passiert, wenn sie fehlt.
• Baffle Step: hängt an der Breite der Fläche, in der der Lautsprecher sitzt, nicht am Abstand davor. Für einen Dipol ist er ohnehin keine sinnvolle Größe, weil dessen Prinzip auf der offenen Rückseite beruht.
• Bündelungsmaß: sagt, wie stark gebündelt wird. Dipol und Kardioid haben denselben Wert und an der Wand ein gegensätzliches Verhalten.
• Raummode: eine Resonanz des Raums. Sie liegt fest, egal welche Bauart in ihm steht — sie wird nur unterschiedlich stark angeregt.

In der Planung

Ein Wohnzimmer, Dipol-Hauptlautsprecher, und der Wunsch, sie aus optischen Gründen etwa 40 cm vor die Wand zu stellen. Die Konzeptfrage steht vor der Zentimeterdiskussion: Bis zu welcher Frequenz soll dieser Lautsprecher überhaupt arbeiten?

Damit klärt sich die Verfahrensfrage nämlich fast von selbst. Übernimmt unterhalb von 80 Hz ein Bassmanagement, ist der Tieftonverlust des Dipols an der Wand größtenteils kein Thema mehr — dafür rutscht die Überhöhung bei 40 cm Abstand mit rund 215 Hz mitten in den Grundtonbereich, und das ist hörbar. Soll der Lautsprecher dagegen bis in den Bass allein reichen, ist die wandnahe Aufstellung erledigt, bevor über Optik gesprochen wird.

Aus derselben Rechnung folgt der zweite Verfahrensschritt: Die Fläche hinter dem Lautsprecher ist bei dieser Bauart die wichtigste Fläche im Raum. Absorbierend nimmt sie den Rückwärtsanteil aus dem Spiel und kostet damit auch den Raumeindruck, für den man einen Dipol wählt; diffus behandelt hält sie beides. Seitenwände, Boden und Decke brauchen dagegen weniger Aufmerksamkeit als sonst.

Der Lautsprecher selbst wird zuletzt ausgesucht. Und dort ist die entscheidende Angabe nicht der Wandlertyp, sondern die Frage, ab welcher Frequenz die Richtcharakteristik überhaupt noch die ist, mit der geworben wird.

Verknüpfte Inhalte

Was ein Dipol ist und warum er im Tiefton ohnehin abfällt, steht bei der Dipol-Abstrahlung. Die Rechnung für den rundstrahlenden Fall führt SBIR aus, den Pegelversatz an einer breiten Fläche der Baffle Step, und beide zusammen die Wissensseite zu Wandabstand und Grenzflächenankopplung — dort steht auch die Entscheidungsfolge, in die dieser Eintrag sich einfügt. Warum sich ein Interferenzeinbruch nicht auffüllen lässt, klärt die Minimalphasigkeit; welche Bauarten typischerweise als Dipol arbeiten, Elektrostat und Magnetostat sowie der Bändchenhochtöner.

Quellen

Die Aufstellungsregel, deren Voraussetzung dieser Eintrag benennt, stammt aus CEDIA/CTA-RP22 § 5.9.3, zitiert nach den Einträgen des eigenen Bestands. Die Spiegelquellen-Rechnung ist dieselbe wie bei SBIR, geführt mit umgekehrtem Vorzeichen des Rückwärtsanteils; die Bildung der kardioiden Charakteristik aus Druck- und Gradientenanteil folgt der elektroakustischen Standardliteratur.