Ein Lautsprecher ist ein Bauteil der Elektrotechnik, das verwendet wird, um elektrische Wechselspannung oder Wechselstrom in Luftdruckschwankungen, die als Schallwellen bezeichnet werden, umzuwandeln. Er wird daher auch als Schallwandler bezeichnet, wie auch das Mikrofon, welches den gegenteiligen Prozess durchführt. Während Lautsprecher Luftmassen in Bewegung setzen müssen, haben im deutlichen Unterschied hierzu Mikrofone als Sensoren dieses nicht zu tun.
Der Begriff Lautsprecher wird häufig synonym für in Gehäuse eingebaute Lautsprecherchassis ggf. mit Weiche und/oder Verstärkern (Lautsprecherbox) und einzelne Wandler (Lautsprecherchassis) benutzt.
Gängige Funktionsprinzipien
- elektrodynamischer Lautsprecher: Ein Abstrahlelement (Membran) wird durch die Lorentzkraft - erzeugt durch eine vom Wechselstrom stromdurchflossene Spule in einem möglichst konstanten magnetischem Gleichfeld - angetrieben. Üblich sind im wesentlichen zwei Formen:
- klassische elektrodynamische Lautsprecher mit zentralem Antrieb und konus- oder kalottenförmiger Membran.
- magnestotatischer Lautsprecher ("Magnetostat", "Bändchen"), der Antrieb ist über die gesamte Membran erteilt. Hier ist die Membran - ähnlich der des Elektrostaten - direkt mit Leiterbahnen versehen, das konstante magnetische Gleichfeld wird durch große, auch über die gesamte Fläche verteilte Dauermagneten erzeugt.
- elektrostatischer Lautsprecher ("Elektrostat"): Zwei parallele gitterförmige Elektroden, die ein statisches elektrisches Feld aufbauen, schließen eine Membran ein. Hochspannung an den Elektroden erzeugt die Antriebskraft.
- piezoelektrischer Lautsprecher ("Piezo"): Der Antrieb der Membran erfolgt durch ein Ferroelektrika, das bei Anlegen einer Spannung sich mechanisch deformiert
- magnetische Lautsprecher, ein überlagertes Gleich- und Wechselfeld ziehen eine ferromagnetisch Membran an. Geringe Qualität, fast ausgestorben.
- Ionen- oder Plasma-Lautsprecher: Ein Schallwandler ohne Membran. Hierbei wird die Luft direkt durch modulierte Hochspannung angeregt, was lokale Ionisierung und damit Schalldruck verursacht.
- Ultraschall-Lautsprecher: Es wird Ultraschall in hohen Pegeln angestrahlt, der durch das nichtlineare Verhalten der Luft hörbaren Schall verursacht.
Elektrodynamischer Lautsprecher
Eine Spule (Schwingspule engl. Voice coil) befindet sich im Magnetfeld eines Permanentmagneten (Magnet). An der Spule ist ein Schwingspulenträger befestigt, der wiederum beim Übergang zwischen der Membran (Cone) und der Abdeckkappe, meist aus Karton, befestigt ist. Spule und Membran können sich im Magnetfeld in einer Richtung hin und herbewegen. Leitet man eine Wechselspannung (Modulations-Spannung) durch diese Spule, so wird durch die Lorentzkraft eine Kraft auf die Membran ausgeübt, die diese zur Bewegung veranlasst. Für hochwertige Chassis muss die Membran rotationssymmetrisch und nicht abwickelbar sein. Möglich sind damit vier mögliche Membranformen:
- Konus (z'(r)>0, z"(r)<0): üblich für Tieftöner und Mitteltöner
- Kalotte (z'(r)<0, z"(r)<0): üblich für Hochtöner, manchmal auch für kleinere Mitteltöner
- Invers-Konus (z'(r)<0, z"(r)>0): selten, manchmal in Rundstrahlern
- Invers-Kalotte (z'(r)>0, z"(r)>0): manchmal bei Hochtönern
Elektrostatischer Lautsprecher
Spannung Up=+2000 V ==================================== feste Gitterelektrode 1
Wechselspannung Uac -------------------------------------------------------------------------------- dünne, schwingfähige Membran
Spannung Um=-2000 V ==================================== feste Gitterelektrode 2
Eine Veränderung der Spannung an der Mittelelektrode ändert die beiden Spannungsdifferenzen zur Gitterelektrode 1 und 2 und erzeigt eine resultierende Antriebskraft. Damit diese erklägliche Werte annimmt, sind Vorspannungen im Bereich von 1...3 kV und Wechselspannungen zwischen 0,5 und 2 kV sowie Abstände von wenigen Millimetern notwendig. Schon geringe Auslenkungen bewirken hörbare Nichtlinearitäten, so dass trotz großer Membranfläche nur geringe Hubräume zur Verfügung stehen. Weiterhin gibt es für Wellenlängen ab dem Bereich, in dem die Membran kleiner als die Wellenlänge ist, eine zunehmenden akustischen Kurzschluss, der Probleme im Bassbereich verursacht. Häufig kombiniert mit "normalem" elektrodynamischem Subwoofer.
Flächenstrahler
Elektrostatischer Lautsprecher und .... werden auf Grund der großen strahlenden Flächen auch als Flächenstrahler bezeichnet. Damit verbundene Eigenschaften
- Bipolare Abstrahlung
- Hohe Bündlungsfaktoren schon bei mittleren Frequenzen
Um den Bündlungsfaktor zu hohen Frequenzen auf noch vertretbare Werte zu begrenzen
- Krümmung der Membranen
- Segmentierung und Ansteuerung nur noch kleiner Teilbereiche bei höheren Frequenzen
Piezoelektrischer Lautsprecher
Bei Lautsprechern dieser Art wird der Effekt eines Piezokristalls verwendet, um elektrische Signale in akustische zu verwandeln. Der Effekt eines Piezokristalls ist, dass er sich verformt, wenn man eine Spannung angelegt. Wenn man nun eine tonfrequente Spannung an den Piezokristall anlegt, beginnt dieser im Rhythmus der Spannung zu schwingen. Die Schwingungen des Piezokristalls werden auf eine Konusmembran übertragen. Die schwingende Membran erzeugt Schallwellen. Piezoelektrische Lautsprecher benötigen keine Frequenzweiche, da sie sich bei niedrigen Frequenzen hochohmig und bei hohen Frequenzen niederohmig verhalten. Bei niedrigen Frequenzen nimmt also der Piezokristall kaum Leistung auf. Auf Grund dieser Tatsache wird diese Lautsprecherart hauptsächlich für den Mittel-Hochtonbereich (1 kHz bis >10 kHz) verwendet. Die Belastbarkeit eines piezoelektrischen Lautsprechers wird nicht, wie bei anderen Lautsprechern in Watt angegeben, sondern in Volt. Bei gängigen piezoelektrischen Lautsprechern beträgt die Belastbarkeit ungefähr 25 Volt.
Magnetostatischer Lautsprecher
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Lautsprecherchassis für unterschiedliche Frequenzbereiche/Sinn von Mehrwegesystemen
Für tiefere Frequenzen ist der maximale Schallpegel eines Lautsprecher-Chassis abhängig vom maximalen Membranhub und damit von der Membranfläche. Im Tieftonbereich sind daher große Membranen notwendig, wenn man sinnvolle Schallpegel erreichen möchte. Diese sind jedoch aus folgenden Gründen ungeeignet zur Wiedergabe hoher Frequenzen:
- Hohe Frequenzen (kurze Wellenlängen) werden mit im Allgemeinen ungewünschter Direktivität wiedergegeben
- Wellenlängen kleiner als der Durchmesser können die Membran zu Partialschwingungen anregen
- Hohe tieffrequente Signale intermodulieren auch hochfrequente Anteile, was dann hörbar ist
Um das hörbare Spektrum abzudecken, werden üblicherweise in einer Lautsprecher-Box mehrere Lautsprecher-Chassis mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen eingesetzt.
Üblich sind 2-Wege-Systeme bis 4-Wege-Systeme. Die Anzahl der Wege ist dabei nicht identisch mit der Anzahl der eingesetzten Chassis. Manche Hersteller (z.B. Thiel) zählen bei "Wegen" auch Wege mit gemeinsamen Antrieb, die in unterschiedlichen Frequenzbereichen verschiedene Membranbereiche antreiben. Da dies aber im Grunde bei allen Chassis auftritt (eigentlich bei allen aktuellen Tiefmitteltönern) schafft diese Zählweise nur Verwirrung und sollte vermieden werden.
1-Wege-System/Breitbandlautsprecher/Vollbereichslautsprecher
versuchen den gesamten Audio-Frequenzbereich durch ein einziges Chassis abzudecken. Schon die Konstruktion eines hochwertigen 2-Wege-Systems ist kompliziert, ein 1-Wege-System erhöht noch mal die Probleme. Hauptproblem ist dabei die Wiedergabe von hohen Frequenzen, vor allem die starke Bündlung, die sich auch bei aufwendigen Konstruktionen nicht vermeiden läßt. Intermodulation und Dopplereffekt werden zwar auch immer genannt, sind aber kaum kritischer als bei 2-Wege-Konstruktionen, da das Ohr im Bereich 1 bis 3 kHz am empfindlichsten auf diese Verzerrungen reagiert.
2-Wege-System
Üblich ist eine 19 bis 28 mm-Hochtonkalotte und ein 12 bis 22 cm-Konus-Tiefmitteltöner. Übliche Trennfrequenzen zwischen beiden Chassis liegen bei 2 bis 3 kHz, es gibt kaum Freiheitsgrade bei der Festlegeung der Trennfrequenz. Der Tiefmitteltöner wird bis zur maximal möglichen oberen und der Hochtöner bis zur minimal möglichen unteren Grenzfrequenz ausgereizt. Baßreflexkonstruktionen verringern üblicherweise die Intermodulation von tieffrequenten Signalen im Mitteltonbereich.
2 1/2-Wegesystem
Erweiterung eines 2-Wegesystems um einen weiteren Tieftöner, der häufig baugleich zum eingesetzten Tiefmitteltöner ist, aber meist schon im Grundtonbereich abgekoppelt wird.
3-Wege-System
Bei Aufteilung in 3-Wege entstehen im Gegensatz zu 2-Wege-Systemen durch die nun kleineren Arbeitsbereiche viele Freiheitsgrade. Konstruktionen sind mit Hochton-Kalotte (z.B. 19 mm), Mittelton-Kalotte (z.B. 55 mm) und Konustieftöner (z.B. 25 cm) bis hin zu Hochton-Kalotte (z.B. 25 mm), Konus-Tiefmitteltöner (z.B. 18 cm) und Konustieftöner (z.B. 25 cm) und damit verbunden unterschiedlichen Trennfrequenzen möglich.
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Konstruktionen mit noch mehr Chassis entziehen sich einer genauen Klassifizierung völlig. Die Möglichkeiten werden unüberschaubar.
Reduzierung der wirksamen Membranfläche
Entgegen üblicher Meinung tritt dieser Effekt nicht nur bei Breitbändern, sondern auch bei größeren Konus-Mitteltönern und Konus-Tiefmitteltönern auf. Er ist zur Partialschwingungsdämpfung und Reduzierung der Directivität im oberen Arbeitsbereich notwendig. Konstruktiv erfolgt dies durch Verwendung von unterschiedlichen Materialien und unterschiedlichen Krümmungen im Innen- und Außenbereich der Membran.
Frequenzweichen
Um die Modulations-Spannung in die entsprechenden Frequenzbereiche aufzuteilen, setzt man Filter ein, sogenannte Frequenzweichen, die
- passiv (aus Kondensatoren, Spulen und Widerständen aufgebaut)
- aktiv analog (aus Kondensatoren, Widerständen und Operationsverstärkern aufgebaut)
- aktiv digital (aus ADC, DAC und DSPs aufgebaut)
sein können.
<<<Verschieben zu Gehäuseformen>>> Um Frequenzen wiederzugeben, deren Wellenlänge größer ist als der Membrandurchmesser, ist es wichtig, dass der Lautsprecher in eine Schallwand eingebaut ist, was den direkten Ausgleich der Schalldruckanteile vor und hinter der Membran verhindert (sog. akustischer Kurzschluss).
Typische Gehäusebauformen
- Geschlossenes Gehäuse: Der Laustprecher ist in ein luftdicht abgeschlossenes Gehäuse eingebaut
- Bassreflex-Gehäuse: Das Volumen des Gehäuses ist über einen Kanal an die Umgebung angekoppelt. Es entsteht ein sog. Helmholtz-Resonator, der den Wirkungsgrad im Bereich seiner Eigenresonanz (auch Tuningfrequenz) erhöht, bei Frequenzen deutlich darunter jedoch zu dem akustischem Kurzschluss und damit Pegelverlusst führt.
- Horn-Lautsprecher: Der Lautsprecher wird über ein Horn an die Umgebung angekoppelt. Mit einem Horn-Lautsprecher können sehr hohe Wirkungsgrade von > 100dB (1W, 1m) erreicht werden. Hornlautsprecher sind bei richtiger Dimensionierung zudem in der Lage eine über die Frequenz konstante Richtwirkung zu generieren, da sie entlang des Hornverlaufes, vom Hornhals bis zum Hornmund, der Wellenfront alle Membrandurchmesser zur Verfügung stellen.
- Transmissionline-Gehäuse: Das Lautsprechergehäuse bildet ein langes Rohr (meist gefaltet). Durch relativ komplexe Wellenleitungsvorgänge wird die von der Rückseite der Membran abgestrahlte Energie benutzt, um die Tiefbasswiedergabe des Lautsprechers zu verstärken.
Funktionsprinzip Bassreflexgehäuse
Die Membran bewegt sich einwärts und schiebt die Luft vor sich her. Es entsteht ein lokaler Überdruck im Nahfeld.
Der Überdruck im Gehäuse setzt die Luftmasse im Rohr in Bewegung. Das Luftvolumen im Gehäuse als Federelement und die Luftsäule im Bassreflexrohr als Masseelement bilden einen Resonator.
Die Membran schwingt auswärts. Bei der Resonanzfrequenz des Bassreflexsystems schwingt zum gleichen Zeitpunkt die Lufsäule im Bassreflexrohr auch auswärts, so dass im Idealfall der doppelte Schalldruck erzeugt wird.
Weblinks
Spezielle Anwendungen
Subwoofer
Subwoofer sind Spezial-Lautsprecher zur Unterstützung von kompakteren Vollbereichslautsprechern am unteren Frequenzende.
PA-Lautsprecher
Die PA-Lautsprecher (PA steht für Public Address) werden zur Beschallung von Konzerten und Veranstaltungen verwendet.
Literatur
- Stark, Berndt : Lautsprecher-Handbuch. 8. überarbeitete Auflage. ISBN 3-7905-0904-3
- Walz, Georg: Lautsprecherboxen erfolgreich selbst bauen. 2. Auflage. ISBN 3772358942
