Koaxialchassis und koinzidente Punktquelle

Was ist ein Koaxialchassis — und was ändert sich, wenn Mittel- und Hochton aus derselben Stelle kommen?

Bei einem Koaxialchassis sitzt der Hochtöner nicht neben dem Tief-Mitteltöner, sondern in dessen Mitte — meist an der Stelle, an der sonst die Staubschutzkalotte sitzt. Beide teilen sich damit eine Achse und, im Idealfall, ein akustisches Zentrum. Mittel- und Hochton verlassen den Lautsprecher am selben Ort und legen denselben Weg zum Ohr zurück.

Ein normaler Lautsprecher hat zwei oder drei Töner übereinander: unten der große für die Tiefen, oben der kleine für die Höhen. Sie sitzen also ein Stück auseinander, und damit haben sie zu Deinem Ohr unterschiedlich weite Wege — je nachdem, ob Du stehst oder sitzt. In dem Bereich, in dem beide gleichzeitig spielen, überlagern sich ihre Töne mal günstig und mal ungünstig, und deshalb klingt derselbe Lautsprecher im Stehen anders als im Sitzen. Bei der koaxialen Bauweise steckt der kleine Töner mitten im großen. Damit gibt es nur noch einen Ort, von dem der Ton ausgeht, und das Problem verschwindet. Dafür handelt man sich ein anderes ein: Der große Töner bewegt sich beim Spielen, und der kleine sitzt mittendrin.

Ausführliche Erklärung

Das Problem, das die Bauform löst, entsteht im Übernahmebereich zwischen zwei Treibern. Dort geben beide gleichzeitig dasselbe Signal ab, und was am Ohr ankommt, ist ihre Summe. Sitzen die Treiber ein Stück auseinander, unterscheiden sich ihre Wege zum Hörplatz — und zwar unterschiedlich stark, je nachdem, wo dieser Hörplatz liegt. Auf der Achse zwischen beiden addieren sie sich, darüber und darunter beginnt der eine Anteil dem anderen davonzulaufen, und bei einem halben Wellenlängenunterschied löschen sie sich weitgehend aus.

Das Ergebnis ist eine vertikal zerfranste Abstrahlung: Keulen und Einbrüche, deren Lage von der Frequenz abhängt. Der Lautsprecher klingt dann nicht überall gleich, sondern in einem schmalen Winkelbereich so, wie er gemessen wurde, und darüber und darunter anders. D'Appolito hat diesen Zusammenhang 1983 für die AES beschrieben und daraus eine geometrische Lösung abgeleitet — die D'Appolito-Anordnung ist die eine Antwort auf dieses Problem, das Koaxialchassis die andere.

Die koaxiale Antwort ist die radikalere: Sie beseitigt nicht die Folgen des Abstands, sondern den Abstand selbst. Bei zwei Quellen am selben Ort gibt es keinen Wegunterschied, der von der Hörposition abhinge, und damit auch keine positionsabhängige Auslöschung im Übernahmebereich. Der Lautsprecher strahlt über einen weiten Winkelbereich gleichförmig ab, und was er außerhalb der Achse abgibt, ähnelt dem, was er auf der Achse abgibt.

Das ist der Punkt, an dem die Bauform in der Raumplanung interessant wird. Was ein Lautsprecher an die Wände abgibt, kommt als Reflexion zurück und mischt sich unter den Direktschall. Ist das Abstrahlverhalten über den Winkel gleichmäßig, ähnelt der reflektierte Anteil dem direkten, und der Raum färbt weniger. Ist es zerklüftet, kommt aus jeder Richtung ein anderes Spektrum zurück. Die Zusammenhänge dahinter stehen beim Bündelungsmaß.

Für den Hörplatz folgt daraus zweierlei. Der Sweet Spot wird großzügiger, weil das Klangbild sich beim Verlassen der Achse weniger ändert, und die Sitz-zu-Sitz-Varianz fällt kleiner aus. Beides betrifft nicht den besten Platz, sondern alle anderen — was in einem Kino mit mehreren Sitzreihen und in einem Wohnraum mit Sofa die relevantere Größe ist.

Der Zielkonflikt, den die Bauform mitbringt

Sie beseitigt ein Problem und schafft ein anderes, und das gehört zur ehrlichen Darstellung dazu.

Der Konus ist ein Trichter. Der Hochtöner strahlt nicht in den freien Raum, sondern in die Öffnung des Tief-Mitteltöners. Dessen Wandung wirkt damit als Horn, und die Form dieses Horns bestimmt mit, wie der Hochtöner abstrahlt — siehe Horn und Waveguide. Das kann ein Vorteil sein, wenn die Kontur dafür gerechnet ist; es ist ein Nachteil, wenn die Membranform allein nach den Anforderungen des Mitteltons entstanden ist.

Der Trichter bewegt sich. Solange der Tief-Mitteltöner arbeitet, ändert sich die Geometrie, in die der Hochtöner hineinstrahlt, im Takt des Signals. Damit wird der Hochton vom Tiefton mitmoduliert. Wie stark das hörbar wird, hängt am Hub — und damit daran, ob das Chassis den Tiefton mitmachen muss oder ob ihm ein Subwoofer die tiefen Oktaven abnimmt. Bei tiefer Übergangsfrequenz und großem Hub ist der Effekt größer, bei entlastetem Chassis kleiner.

Der Übergang ist anspruchsvoll. Die beiden Treiber sitzen zwar am selben Ort, arbeiten aber in derselben Öffnung und beeinflussen sich mechanisch und akustisch. Die Frequenzweiche hat es damit nicht leichter als bei getrennten Treibern, sondern anders schwer.

Diese drei Punkte sind der Grund, warum die koaxiale Bauform trotz ihres klaren Vorteils nicht die Regel ist. Sie verlangt Entwicklungsaufwand an genau der Stelle, an der ein konventioneller Zweiweger einfach ist.

Häufiges Missverständnis

„Koaxial heißt Punktquelle, also strahlt der Lautsprecher kugelförmig ab." Zwei verschiedene Aussagen werden hier zusammengezogen. Koinzident heißt, dass die Quellen am selben Ort sitzen — das betrifft das Verhältnis der Treiber zueinander. Wie breit oder schmal die Abstrahlung insgesamt ausfällt, ist davon unabhängig und hängt an Membrangröße, Kontur und Frequenz. Ein Koaxialchassis kann sehr stark bündeln; es bündelt dann nur gleichmäßig statt zerklüftet. Bündelung an sich ist im Übrigen kein Fehler, sondern in vielen Räumen erwünscht.

„Koinzident, koaxial, Punktquelle — und Phantomschallquelle ist dann das Vierte davon?" Die Begriffe klingen verwandt und meinen Gegensätzliches. Bei der Phantomschallquelle täuscht das Gehör eine Quelle vor, wo keine steht — dort ist gerade kein Lautsprecher, und der Effekt entsteht im Kopf. Beim Koaxialchassis sitzen umgekehrt zwei tatsächliche Treiber an derselben Stelle. Das eine ist Wahrnehmung, das andere Mechanik.

„Ein Chassis ist besser als zwei — weniger Bauteile, weniger Fehler." Die Rechnung geht nicht auf, weil ein Koaxialchassis nicht ein Treiber ist, sondern zwei ineinander. Es hat alle Bauteile eines Zweiwegers und zusätzlich die Aufgabe, beide auf engstem Raum unterzubringen, ohne dass sie sich gegenseitig stören. Die Bauform ist eine Entscheidung für ein bestimmtes Abstrahlverhalten, keine Vereinfachung.

Nicht zu verwechseln mit

Phantomschallquelle: Ein Hörereignis zwischen zwei Lautsprechern, siehe Phantomschallquelle. Wahrnehmung, keine Bauform.
Koaxialkabel: Derselbe Wortstamm — innen und außen auf einer Achse —, sonst nichts gemeinsam.
Doppelschwingspulen-Chassis: Ein Treiber mit zwei Antrieben für eine Membran. Andere Aufgabe, meist im Subwooferbau.
Breitbandlautsprecher: Eine einzige Membran für den ganzen Bereich. Ebenfalls koinzident, weil es nur eine Quelle gibt — aber ohne zweiten Treiber und damit mit ganz anderen Grenzen.
D'Appolito-Anordnung: Symmetrische Anordnung mehrerer Treiber übereinander. Sie löst dasselbe Problem geometrisch statt konstruktiv, siehe D'Appolito-Anordnung.

In der Planung

Ein Kinoraum mit drei Sitzplätzen nebeneinander und einer zweiten Reihe auf einem Podest. Der Kunde fragt, ob sich der Aufpreis für Lautsprecher mit koaxialer Bauweise lohnt — auf seinem eigenen Platz in der Mitte klinge das konventionelle Modell im Vorführraum genauso gut.

Die Beobachtung stimmt und beantwortet die falsche Frage. Auf dem besten Platz ist der Unterschied klein, weil dort beide Bauformen ihre Stärke ausspielen. Was zu klären ist, lautet deshalb anders: Für wie viele Plätze soll dieser Raum funktionieren? Bei einem einzigen Hörplatz ist die koinzidente Anordnung ein Feinschliff. Bei fünf Plätzen auf zwei Ebenen betrifft sie die Mehrheit der Zuschauer, weil sie sich genau dort auswirkt, wo man von der Achse abweicht.

Daraus folgt, was zu vergleichen ist: nicht der Frequenzgang auf Achse — der ist bei beiden Bauformen glatt zu bekommen —, sondern das Verhalten unter Winkeln, besonders in der Senkrechten. Für die zweite Reihe auf dem Podest ist die vertikale Abstrahlung die entscheidende Größe, und das ist genau die Richtung, in der die konventionelle Anordnung ihre Keulen hat.

Bei den Geräten kommt es dann darauf an, ob der Hersteller die Konturform für den Hochtöner mitgerechnet hat oder ob der Konus nur zufällig davor sitzt. Das lässt sich am ehesten an veröffentlichten Winkelmessungen ablesen — wo sie fehlen, bleibt die Bauform ein Versprechen.

Verknüpfte Inhalte

Warum ein Hörereignis auch dort entstehen kann, wo kein Lautsprecher steht, klärt die Phantomschallquelle. Wovon abhängt, wie groß der gut klingende Bereich ausfällt, steht beim Sweet Spot und bei der Sitz-zu-Sitz-Varianz. Wie sich Abstrahlverhalten überhaupt beschreiben lässt, erklärt das Bündelungsmaß; was eine Trichterform damit macht, Horn und Waveguide. Die geometrische Alternative zum selben Problem ist die D'Appolito-Anordnung, die Aufteilung zwischen den Treibern regelt die Frequenzweiche bei der Übergangsfrequenz.

Quellen

Der Zusammenhang zwischen Treiberabstand und Keulenbildung im Übernahmebereich ist bei D'Appolito 1983 für die AES beschrieben; die Veröffentlichung ist über den AES-Katalog nachgewiesen, der Volltext wurde nicht eingesehen. Die übrigen Aussagen dieser Seite folgen aus dem Wirkprinzip und sind Standard der Lautsprecherentwicklung.