Lautsprecher
Ein Lautsprecher ist ein Bauteil der Elektrotechnik, das verwendet wird, um elektrische Wechselspannung in Luftdruckschwankungen, die als Schallwellen bezeichnet werden, umzuwandeln. Er wird daher auch als Schallwandler bezeichnet, wie auch das Mikrofon, welches den inversen Prozess durchführt. Während Lautsprecher Luftmassen in Bewegung setzen müssen, haben im deutlichen Unterschied hierzu Mikrofone als Sensoren dieses nicht tun.
Der Begriff Lautsprecher wird häufig synonym für in Gehäuse eingebaute Lautsprecherchassis mit Weiche und/oder Verstärkern (Lautsprecherbox) und einzelne Wandler (Lautsprecherchassis) benutzt.
Seltsame Wortwahl - Boxen
In Amateurkreisen gibt es neuerdings für Lautsprecher nur noch das Wort "Boxen", das von den Plastikboxen für Tele-Spiele über Multimedia-Computer herstammt. Diese preisgünstigen Boxen haben mit einer qualitätsmäßigen Lautsprecherwiedergabe für HiFi-Stereofonie nichts zu tun, was oft nicht erkannt wird. Wenn man also nicht die kleinen Plastikwürfel meint, dann sollte man schon zu diesen hochwertigen Schallwandlern besser Lautsprecher oder zur etwas gehobeneren Studioausstattung auch Monitore sagen.
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 einen Piezo-Kristall, dessen Ausdehnung von der anliegenden Spannung abhängt.
- 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 Mmembranen
- 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 eineSpannung 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
...
Lautsprecher für unterschiedliche Frequenzbereiche
Für sehr tiefe Frequenzen ist der Wirkungsgrad des Lautsprechers abhängig von der Membranfläche. Im Tieftonbereich sind daher große Membranen von Vorteil. 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
- mechanische Verluste innerhalb der Membran können schnelle Bewegungen bedämpfen
Um das hörbare Spektrum abzudecken, werden üblicherweise Lautsprecher mit unterschiedlichen Durchmessern oder Bauformen eingesetzt:
- Hochtöner, üblicherweise in Kalottenbauform mit möglichst geringer bewegter Masse oder als Bändchen
- Mitteltöner, im Allgemeinen als kleiner Konuslautsprecher ausgeführt. Der Mitteltöner deckt bei 3-Wege-Lautpsrechern den Stimmbereich ab.
- Tieftöner, üblicherweise als großer Konuslautsprecher ausgeführt, da im Tieftonbereich viel Luft bewegt werden muss.
Um die Modulations-Spannung in die entsprechenden Frequenzbereiche aufzuteilen, setzt man elektrische Filter ein, sogenannte Frequenzweichen aus Kondensatoren, Spulen und Widerständen.
Lautsprecher, die versuchen den gesamten Audio-Frequenzbereich abzudecken, sogenannte Breitband-Lautsprecher oder Breitbänder, müssen daher die wirksame Membranfläche zu hohen Frequenzen hin reduzieren. Dieses wird durch unterschiedliche Abstrahlelemente (z.B. Tieftonkonus, Hochtonkegel) realisiert, deren homogene Abkopplung bei großen Lautsprechern jedoch nur schwer zu erreichen ist, was zu einer unzureichenden Hochtonwiedergabe führt. Weiterhin führen die für die Tieftonwiedergabe nötigen hohen Membranauslenkungen zu Modulationen des Hochtonbereichs (Doppler-Effekt).
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).
Spezielle Anwendungen
Subwoofer
Eine spezielle Art des Lautsprechers ist der Subwoofer, der für die Wiedergabe ausschließlich tiefer Frequenzen, vorzugsweiseweise unter 80 Hz, optimiert ist. Wird ein Subwoofer eingesetzt, können die sog. "Satelliten", die das Spektrum darüber und damit die Lokalisation übernehmen, relativ kompakt ausfallen.
Kleine Multimedia-Lautprecher-Systeme erfüllen diese Voraussetzungen generell nicht, da - durch die Größe bedingt - die "Subwoofer" unterhalb 80 Hz nur unzureichend wiedergeben und die Trennfrequenz zu den Satelliten eher bei 150 bis 200 Hz liegt. Damit ist die Lokalisation nicht mehr unabhängig vom Subwoofer.
Beschallungsanlagen (PA = Public Address)
Die PA-Systeme werden zur Beschallung bei Konzerten und Veranstaltungen verwendet. Im Gegendatz zu HiFi-Lautsprechern ist hier das Abstrahlverhalten der Systeme ein entscheidender Parameter. Um in Räumen Reflexionen und Nachhall zu reduzieren, ist es wichtig, nur die Bereiche zu beschallen, in denen sich Publikum befindet. Da PA-Systeme meistens in Gruppen (sog. Arrays oder Cluster) eingesetzt werden, muss das Abstrahlverhalten der Einzelsysteme zudem ihrer jeweilgen Anordnung entsprechen, um Überlappung oder Lücken in der Abdeckung der Publikumsbereiche zu verhindern. Weiterhin ist der maximal erreichbare Schallpegel von entscheidender Bedeutung, weshalb im PA-Bereich Lautsprecher mit höherem Wirkungsgrad, oft Horn-Lautsprecher, verwendet werden.
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.
Luftströmungen im geschlossenen Gehäuse
 |
 |
|
 |
| |
Luftströmungen im Bassreflexgehäuse
 |
 |
 |
 |
Lautsprecher um 360° gedreht:
 | |
 |
 |
Lautsprecher um 360° gedreht (offen):
 |
 |
 |
Weblinks
Literatur
- Stark, Berndt : Lautsprecher-Handbuch. 8. überarbeitete Auflage. ISBN 3-7905-0904-3
- Walz, Georg: Lautsprecherboxen erfolgreich selbst bauen. 2. Auflage. ISBN 3772358942