Horn und Waveguide

Was ist der Unterschied zwischen einem Horn und einem Waveguide — und was bringt das eine, was das andere nicht kann?

Ein Horn ist ein Trichter, der einen Treiber akustisch belastet: Es erhöht den Strahlungswiderstand am Hals und damit den Wirkungsgrad. Ein Waveguide ist ein Trichter, der die Richtwirkung über der Frequenz festlegt. Die Bauteile sehen sich ähnlich, sind aber auf verschiedene Ziele gerechnet.

Eine Membran allein bekommt die Luft kaum zu fassen — sie rudert gewissermaßen im Leeren. Ein Horn ist der Trichter, der ihr diesen Griff verschafft: Aus derselben Verstärkerleistung wird dadurch deutlich mehr Lautstärke. Damit das auch bei tiefen Tönen klappt, muss der Trichter allerdings riesig werden, weshalb man Hörner im Wohnraum fast nur für hohe und mittlere Töne findet. Ein Waveguide sieht aus wie ein kleines Horn, verfolgt aber einen anderen Zweck: Er bestimmt, in welchen Winkel der Ton geht — mehr zu den Sitzplätzen, weniger an Wände und Decke. Lauter wird es dadurch nebenbei auch ein wenig, aber darum geht es nicht.

Ausführliche Erklärung

Der Ausgangspunkt für beide ist derselbe. Eine Membran, die frei in die Luft arbeitet, koppelt schlecht an: Der Strahlungswiderstand ist klein, also wird nur ein winziger Teil der zugeführten Leistung zu Schall. Ein sich öffnender Kanal vor der Membran ändert diese Ausgangslage — und je nachdem, wie er gerechnet ist, ändert er sie in eine von zwei Richtungen.

Das Horn als akustischer Übersetzer

Das Horn führt eine kleine, schnell bewegte Fläche in eine große, langsam bewegte Luftsäule über. Am Hals sieht der Treiber eine Luftlast, die um Größenordnungen über der freien Abstrahlung liegt; die Membran arbeitet gegen etwas und gibt entsprechend mehr Leistung ab. Welchen Sprung im Wirkungsgrad das bedeutet, ordnet der Strahlungswiderstand ein — dort steht das Horn als der wirksamste der drei Wege zur besseren Ankopplung.

Damit das funktioniert, müssen zwei geometrische Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein, und beide hängen an der Wellenlänge.

Die Öffnungsrate bestimmt, wie schnell sich der Querschnitt entlang der Achse aufweitet. Unterhalb einer daraus folgenden Grenzfrequenz lädt das Horn nicht mehr: Die Welle sieht die Aufweitung nicht mehr als allmählichen Übergang, und der Trichter verhält sich wie ein Rohr.

Die Mundfläche bestimmt, ob die Welle am Ende überhaupt austritt. Ist der Mund klein gegenüber der Wellenlänge, wird ein erheblicher Teil der Energie dort reflektiert und läuft in den Trichter zurück. Diese Rückläufe überlagern sich mit dem, was noch kommt, und erzeugen die Welligkeit, die schlecht gebaute Hörner hörbar prägt.

Beide Bedingungen werden zu tiefen Frequenzen hin unbequem, und zwar schnell: Die Mundfläche muss mit dem Quadrat der Wellenlänge wachsen, die Länge mit ihr. Warum Basshörner im Wohnraum deshalb die Ausnahme bleiben, führt der Strahlungswiderstand aus. Im Mittel- und Hochton kehrt sich die Rechnung um: Dort sind die Wellen kurz, die nötigen Abmessungen klein, und das Horn ist eine praktikable Bauform.

Der Waveguide als Mittel der Richtwirkung

Der Waveguide beantwortet eine andere Frage. Sie lautet „wohin" und nicht „wie viel Schall". Jeder Hochtöner bündelt mit steigender Frequenz von allein zunehmend, weil seine Membran im Verhältnis zur Wellenlänge größer wird. Der Abstrahlwinkel wird damit nach oben hin immer enger — und weil das Bündelungsmaß über der Frequenz ansteigt, unterscheidet sich der Klangeindruck des Direktschalls von dem, was der Raum zurückwirft.

Eine passend gerechnete Kontur hält diesen Winkel dagegen über einen weiten Bereich konstant. Der Waveguide bündelt dort, wo der Hochtöner für sich genommen noch rundstrahlen würde, und lässt ihn dort in Ruhe, wo er ohnehin bündelt. Das Ergebnis ist ein gleichmäßiger Verlauf des Bündelungsmaßes — und, was in der Praxis oft mehr zählt, ein Abstrahlverhalten, das am Übergang zum Mitteltöner keinen Sprung macht. Genau dieser Sprung ist der Grund, warum manche Lautsprecher in verschiedenen Räumen sehr verschieden klingen.

Lauter wird es mit Waveguide auf Achse trotzdem, meist um einige Dezibel im unteren Arbeitsbereich des Hochtöners. Das ist aber überwiegend die Umverteilung, die das Bündelungsmaß beschreibt, und kein Gewinn an Wirkungsgrad: Dieselbe Leistung geht in einen engeren Winkel, also kommt auf der Achse mehr an. Nur ein kleiner Rest ist echte Belastung nach Art des Horns, am unteren Rand des Arbeitsbereichs. Willkommen ist beides, ein Konstruktionsziel ist es nicht — und genau diese Verwandtschaft ist der Grund, warum die beiden Bauteile so leicht durcheinandergeraten.

Wie fest steht die Trennung?

Belegt ist der Unterschied in der Bauaufgabe. Ein Horn wird auf Belastung gerechnet und muss dafür Mundfläche und Öffnungsrate einhalten; ein Waveguide wird auf einen Abstrahlwinkel gerechnet und darf so klein bleiben, wie es die gewünschte untere Grenze zulässt. Diese Entwurfsentscheidung lässt sich am fertigen Bauteil nachprüfen — über Kennschalldruckpegel und Abstrahlverhalten.

Weniger fest steht die Theorie darunter, und das gehört zum Bild dazu. Der Ingenieur Earl Geddes, damals an der Eastern Michigan University und bei Ford, hat 1989 im Journal of the Audio Engineering Society dargelegt, dass die klassische Hornlösung eine ebene Welle im Trichter voraussetzt und sich deshalb auf richtwirkungssteuernde Bauteile nur begrenzt anwenden lässt. Das ist die theoretische Begründung genau dieser Trennung. Vier Jahre später hat Geddes die eigene Arbeit korrigiert: Die Fassung von 1989 enthielt Fehler, die exakte Rechnung folgte erst 1993. In demselben Heft von 1993 steht die Gegenposition von Gerald Putland, der zeigt, dass die Wellengleichung für Trichter in jedem Einparameter-Schallfeld gilt — sie reicht also weiter, als Geddes' Kritik nahelegt.

An der Planung ändert dieser Streit nichts, an der Sprache schon: Horn und Waveguide unterscheiden sich darin, wofür ein Bauteil gerechnet wurde, und nicht in zwei getrennten Physiken. Wer die Trennung als Lehrsatz vorträgt, behauptet mehr, als die Literatur hergibt.

Häufiges Missverständnis

„Waveguide ist einfach das modernere Wort für Horn." Im Handel werden die beiden Wörter tatsächlich fast beliebig getauscht, aber die Bauaufgabe dahinter bleibt verschieden: Ein Horn wird auf Belastung gerechnet und braucht dafür Mundfläche und Öffnungsrate, ein Waveguide wird auf einen Abstrahlwinkel gerechnet und darf so klein bleiben, wie es die gewünschte untere Grenze zulässt. Wer statt nach dem Namen des Bauteils nach Kennschalldruckpegel und Abstrahlverhalten fragt, bekommt den Fall in beide Richtungen geklärt.

Das zweite Missverständnis ist eine Klangzuschreibung: „Hörner klingen schreiend." Was diesen Ruf begründet hat, sind Reflexionen an Querschnittssprüngen und an einem zu kleinen Mund — also Baufehler, die sich messen lassen. Ein sauber gerechnetes Horn zeigt sie kaum. Was bleibt, ist eine prinzipbedingte Grenze am anderen Ende: Bei sehr hohen Schalldrücken im engen Hals verzerrt die Luft selbst, und dagegen hilft keine Kontur. Klar, die Bauform ist empfindlicher gegen solche Fehler als ein Direktstrahler, weil bei ihr mehr Geometrie im Spiel ist — aber das ist ein Argument für die Ausführung und nicht gegen die Bauart.

Nicht zu verwechseln mit

Waveguide gegen Horn: sehen gleich aus, sind aber auf verschiedene Zwecke gerechnet — der Waveguide auf die Richtung, das Horn auf die Ankopplung. Ein Hornvorsatz ohne ausreichende Mundfläche ist akustisch ein Waveguide, auch wenn „Horn" darauf steht.
Bassreflexrohr: ein Resonator, der nur um seine Abstimmfrequenz herum wirkt und dort die Öffnung mitstrahlen lässt. Mit einem Trichter hat das nichts zu tun: Es weitet sich nicht auf und übersetzt keine Flächen — was es dem Treiber abnimmt, gilt nur in diesem schmalen Bereich.
Transmissionline: ein bedämpfter Kanal hinter dem Chassis, der die Rückwelle verzögert und teilweise nutzbar macht; mit der Trichterbelastung hat auch sie nichts zu tun.
Bündelungsmaß: die Größe, mit der Richtwirkung gemessen wird. Der Waveguide ist eines der Mittel, sie zu erzeugen — das Maß selbst sagt nichts darüber, wie sie zustande kam.

In der Planung

Ein dediziertes Kino soll über eine große Distanz Referenzpegel erreichen, und die Diskussion beginnt bei der Verstärkerleistung. Bevor über Watt gesprochen wird, ist das Ziel zu beziffern: Welcher Pegel wird bei welcher Frequenz am hintersten Sitzplatz gebraucht — und wie viel Reserve soll darüber bleiben, bevor die Wärme im Chassis den Pegel wieder auffrisst?

Die Wahl des Verfahrens hängt daran, und sie fällt in zwei Bereichen verschieden aus. Oberhalb des Grundtonbereichs ist die Hornbelastung ein realistischer Weg: Sie bringt Wirkungsgrad und damit Reserve, und sie bringt eine definierte Richtwirkung noch dazu — was hilft, wenn Seitenwände und Leinwand nah stehen. Im Bass ist sie es nicht; dort bleiben Membranfläche und die Ankopplung an eine große Fläche die brauchbaren Mittel, wie der Strahlungswiderstand ausführt. Ein System mit Horn im Mittelhochton und Direktstrahlern im Bass nimmt deshalb aus beiden Bereichen das jeweils Passende; ein Kompromiss ist es keiner.

Zuletzt wird ein Lautsprecher ausgesucht, und damit stellt sich die Frage nach dem Abstrahlwinkel, die vor der Akustikplanung beantwortet sein muss: Ein 90°-System braucht andere Seitenwandbehandlung als ein 60°-System, und das steht im Bauzeitplan vor der Lautsprecherlieferung.

Verknüpfte Inhalte

Warum eine Membran überhaupt so schlecht an die Luft ankoppelt und welche drei Wege es gibt, das zu ändern, steht beim Strahlungswiderstand; was aus dem Wirkungsgrad in Prozent und dem Kennschalldruckpegel abzulesen ist, beim Wirkungsgrad. Wie Richtwirkung gemessen und beziffert wird, klärt das Bündelungsmaß, und warum sie über den Hallradius mitbestimmt, wie viel Direktschall am Platz ankommt, der Eintrag zu Direktschall und Diffusfeld. Was passiert, wenn die Wärme im Chassis den Pegel begrenzt, führt die Leistungskompression aus.

Quellen

Die Trennung zwischen Belastung und Richtwirkungssteuerung folgt der Abgrenzung, die der AVITECT-Eintrag zum Strahlungswiderstand bereits zieht. Die physikalische Beschreibung von Hornbelastung und Waveguide-Auslegung folgt der elektroakustischen Fachüberlieferung. Wie weit die Hornlehre auf richtwirkungssteuernde Bauteile anwendbar ist, verhandeln Geddes und Putland gegeneinander; beide Positionen stehen hier über ihre Kurzfassungen im Quellenblock.