Lautsprecher
Ein Lautsprecher ist ein Bauteil der Elektrotechnik, das verwendet wird, um elektrische Wechselspannung oder Wechselstrom in Luftdruckschwankungen, die als Schallwellen bezeichnet werden, umzuwandeln.
Der Begriff Lautsprecher wird häufig synonym für in Gehäuse eingebaute Lautsprecher-Chassis ggf. mit Weiche und/oder Leistungsverstärkern (Lautsprecher-Box), aber auch für einzelne Wandler (Lautsprecher-Chassis oder Treiber) benutzt.
Geschichte des Lautsprechers
<<<da können sich andere auslassen, am besten beim Ohrhörer anfangen>>>
Funktionsprinzipien / Aufbau von Lautsprecher-Chassis
Die folgenden elektrischen Effekte sind zur Wandlung von elektrischer Leistung in Schall verwendbar. Die überwiegende Bauform ist dabei der elektrodynamischer Lautsprecher miz zentralem Antrieb.
- elektrodynamischer Lautsprecher: Ein Abstrahlelement (Membran) wird durch die Lorentzkraft - erzeugt durch eine vom Wechselstrom stromdurchflossene Spule in einem magnetischem Gleichfeld - angetrieben. Üblich sind im wesentlichen zwei Formen:
- klassische elektrodynamische Lautsprecher mit zentralem Antrieb und konus- oder kalottenförmiger Membran.
- magnetostatischer 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.
- Sonderform: Biegewellenwandler (Manger, Flachlautsprecher mit dynamischen Excitern)
- elektrostatischer Lautsprecher ("Elektrostat"): Zwei parallele gitterförmige Elektroden, die ein statisches elektrisches Feld aufbauen, schließen eine Membran ein. Hochspannung an den Elektroden erzeugt die Antriebskraft.
- Ferroeelektrische Lautsprecher ("Piezo" oder "Piezolautsprecher"): 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.
- Sonderform: Ionen- oder Plasma-Lautsprecher: Ein Schallwandler ohne Membran. Hierbei wird die Luft direkt durch modulierte Hochspannung angeregt, was lokale Ionisierung und damit Schalldruck verursacht.
- Sonderform: Ultraschall-Lautsprecher: Es wird Ultraschall in hohen Pegeln angestrahlt, der durch das nichtlineare Verhalten der Luft hörbaren Schall verursacht.
(Klassischer) Elektrodynamischer Lautsprecher
Eine stromdurchflossene Spule (Schwingspule, engl. Voice coil) befindet sich im magnetischen Gleichfeld eines Permanentmagneten (oder Elektromagneten) (Magnet). Die Spule befindet sich auf einem Schwingspulenträger, der wiederum an der Membran (Cone) befestigt ist. Die Membran besteht aus äußeren Bereichen (fehlen weitgehend bei Kalotten) und inneren Bereichen (häufig als Abdeckkappe bezeichnet, obwohl dieser Bereich essentiell für die Wiedergabe am oberen Frequenzende ist). Spule und Membran können sich im Magnetfeld vorzugsweise in der Richtung senkrecht zur Membran hin- und herbewegen. Eine Zentrierspinne und die Sicke (engl. Surround) sind für die Rückführung der Membran in die Ruhelage sowie für die Zentrierung der Schwingspule verantwortlich. Die Sicke verhindert weiterhin einen direkten Luftaustausch zwischen Vorder- und Rückseite. Leitet man einen Wechselstrom durch diese Spule, so wird durch die Lorentzkraft eine Kraft auf die Membran ausgeübt, die diese zum Schwingen veranlasst.
Als "klassische" Chassisform ist dem elektrodynamischer Lautsprecher und der Problematik Thiele-Small-Parameter ein eigener Artikel spendiert.
Magnetostatischer Lautsprecher
Unter Magnetostaten versteht man Lautsprecher, deren Antrieb nicht in Form einer Schwingspule lokal konzentriert ist, sondern auf der ganzen Membran verteilt ist (Folien-Magnetostaten) oder selbst die Membran (klassisches Bändchen) darstellt.
Magnetostatischer Lautsprecher finden vor allem im oberen Frequenzbereich als Hochtöner oder teilweise als Mitteltöner Anwendung (z.B. bei einigen Modellen der Firma Elac), es gibt aber auch schrankgroße Vollbereichsmagnetostaten (Lautsprecher(-box)) bei z.B. Magnepan bzw. Vollbereichsmagnetostaten mit zusätzlichem Subwoofer für die ganz tiefen Frequenzen.
Bändchen-Magnetostaten
Als Membranmaterial findet bei Bändchen meist Aluminium Anwendung. Es hat (abgesehen von Natrium, was völlig ungeeignet ist) die höchste massespezifische Leitfähigkeit und weist durch die Bildung einer Oxidschicht einen gewissen Eigenschutz vor Umwelteinflüssen auf. Zusätzliche Beschichtungen können trotzdem sinnvoll sein.
Zum Erreichen einer horizontalen Abstrahlung ist das Bändchen vertikal orientiert, dabei ist zum Erreichen einer breiteren Abstrahlung unter gleichzeitiger Reduzierung von Boden- und Deckenreflexionen deutlich höher als breit (Hochtöner 25 mm x 80 mm, Mitteltöner 60 mm x 200 mm) und häufig leicht konvex gekrümmt. Diese Krümmung sowie eine häufig anzutreffende leichte Strukturierung geben der sehr dünnen (ca. 10 µm, Schokoladenpapier ist dagegen schon Blech) und sehr empfindlichen Membran eine gewisse mechanische Stabilität.
Diese Folie wird vertikal von elektrischen Strom durchflossen und befindet sich in einem starken Magnetfeld (Statorfeld) eines Permanentmagneten, dessen Feldlinien horizontal verlaufen. Die resultierende Lorentzkraft bewegt die Membran vor und zurück und führt zur Schallabstrahlung.
Man unterscheidet Eintakt- und Gegentaktaufbau. Beim Eintaktaufbau weist das Statorfeld große Asymmetrien auf, die schon bei mittleren Schwingungsamplituden zu Nichtlinearitäten führen, beim Gegentaktaufbau ist allerdings auch der Frontschall durch den Magneten zu führen, was vor allem bei höheren Frequenzen zu Fehlern im Freuqenzgang führt.
Blick von oben (# Magnetmaterial, N Nordpol, S Südpol, -- Bändchen)
Eintaktaufbau:
#### ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## #### Magnet mit akustischen Durchbrüchen ### ### ####N ------------------------------ S####
Gegentaktaufbau:
#### ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## #### Magnet mit akustischen Durchbrüchen ### ### ####N ------------------------------ S#### ### ### #### ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## ## #### Magnet mit akustischen Durchbrüchen
Auf Grund der geringen Leiterlänge ist die Impedanz sehr niedrig (0,2 Ohm bis max. 1 Ohm), es sind entweder spezielle High Current-Verstärker oder Transformatoren notwendig. Vergrößerungen der Impedanz sind durch die fehlenden Freiheitsgrade der Topologie (es gibt keine isolierenden Membranteile) sehr begrenzt.
Folien-Magnetostaten
Die Membran ist eine Kunstoffolie, auf der Leiterbahnen aufgebracht sind. Auch hier ist Aluminium üblich. Die Impedanz liegt im normalen Bereich zwischen 4 und 8 Ohm, da mit dieser Technik längere und dünnere Leiterbahnen möglich sind. Es sind deutlich mehr Bauformen als bei Bändchen-Magnetostaten möglich.
Folien sind deutlich robuster als Bändchen, auf denen die Landung einer Stubenfliege schon Schäden verursachen kann. Allerdings gibt es häufig Probleme mit der Dauerhaftigkeit der Verbindung der Leiterbahnen mit der Folie.
JET-Strahler
Blick von oben (# Magnetmaterial, N Nordpol, S Südpol, +-+ Membran, ox Leiterbahnen)
#### ## ## ## ## ## ## ## ####### #### SS SS SS SS SS SS SS SS #### Magnet mit akustischen Durchbrüchen ### +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ ### ### o x o x o x o x o x o x ### gefaltete Membran mit Alu-Mäander NNN--+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +--NNN
4-Pi-Strahler
Rotationssymmetrisch, vertikaler Schnitt durch die Achse (# Magnetmaterial, N Nordpol, S Südpol, +-+ Membran, ox Leiterbahnen)
Symmetrieachse
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#########
#####################
N#######################N
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
o ##################### x
S#######################S
#########################
Die Folie ist vertikal leicht geriffelt, damit die Membran atmen kann.
Prinzip, was bei Magnepan verwendet wird (Eintaktaufbau)
NNN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NNN Magnet mit akustischen Durchbrüchen ##-x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o-## Membran mit Alu-Mäander
Das Magnetfeld weist starke Inhomogenitäten auf, schon bei mittleren Membranauslenkungen kommt es zu starken Verzerrungen.
Weitere Möglichkeiten
Gegentaktaufbau:
NNN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NNN Magnet mit akustischen Durchbrüchen ##-x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o--x--o-## Membran mit Alu-Mäander NNN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NN SS NNN Magnet mit akustischen Durchbrüchen
JET-Gegentaktaufbau:
### S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S ### Magnet mit akustischen Durchbrüchen ### +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-### ### o x o x o x o x o x o x o x o x o x o x o x o ### gefaltete Membran mit Alu-Mäander ###-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ ### ### N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N ### Magnet mit akustischen Durchbrüchen
Elektrostatischer Lautsprecher
Elektrostatischer Lautsprecher nutzen nicht die Lorentzkraft (F = Il x B), sondern die elektrostatische Anziehungskraft (F = Q * U/d, Q = C * U => F = C/d * U²). Wie man sieht, ist die Kraft nicht linear zum Strom, sondern quadratisch zur Spannung. Zum Erreichen einer brauchbaren Wiedergabe ist damit eine Vorspannung notwendig. Die Vorspannung führt dazu, daß Eintaktlösungen durch Ruhekräfte instabil sind. Daher sind nur Gegentaktlösungen machbar. Weiterhin weisen Kraft und Feld in die gleiche Richtung, was zu eine einzigen Lösung führt:
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = feste, mechanisch stabile Gitterelektrode 1 ----------------------------------------------- dünne, schwingfähige, elektisch leitfähige Membran = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = feste, mechanisch stabile Gitterelektrode 2
Die Ansteuerung erfolgt folgendermaßen. Die beiden Gitterelektroden werden vorgespannt (z.B. mit +2000 V und -2000 V, meist durch zusätzliches Netzteil erzeugt). Die Tonfrequenzwechselspannung wird an die Membran angelegt und darf sich zwischen diesen beiden Vorspannungen bewegen. Diese hohe Spannung wird entweder durch (hier sehr sinnvolle) Röhrenverstärker erzeugt oder mittels Transformator (z.B. von 20 V auf 1000 V) hochtransformiert.
Die Membran muß weiterhin mechanisch vorgespannt werden, da die Ruhelage labil ist (bei Megnetostaten ist sie indifferent).
Kraft auf die Elektrode in der Ruhelage:
- Vorspannung: U
- NF-Spannung: Ub
- Abstand zwischen einer GE und Membran: d
- Spannung zwischen GE1 und Membran: U1 = U + Ub
- Spannung zwischen GE2 und Membran: U2 = U - Ub
- Kapazität zwischen einer GE und Membran: C = epsilon A / d
- Kraft zwischen GE1 und Membran: F1 = epsilon A/d² * (U + Ub)²
- Kraft zwischen GE2 und Membran: F2 = epsilon A/d² * (U - Ub)²
- Resultierende Kraft auf die Membran: F = 4 U Ub * epsilon A/d²
Die entstehenden Kräfte sind verglichen mit eletrodynamischen Lautsprechern (in denen bei Vollaussteuerung Werte bis 50 N üblich sind), sehr klein. Werte von U=2000 V, Ub=1000V, d=2 mm, A=0,6 m², die schon ziemlich gewagt sind, führen zu gerademal 10 N.
Trotz Gegentaktansteuerung erzeugen größere Schwingamplituden hörbaren Klirr. Das Designproblem ist, daß für größere Schwingamplituden notwendige größere Abstände der Elektroden den Wirkungsgrad drastisch reduzieren. Im Baßbereich kommt als weiteres Problem hinzu, daß es durch Druckausgleich zwischen Vorder- und Rückseite zum Akustischen Kurzschluß kommt, was die Baßwiedergabe weiter verringert und die Schwingsamplitude weiter erhöht.
Daher ist dieses Wandlerprinzip für die Baßwiedergabe nicht sonderlich geeignet und wird häufig im Baß von zusätzlichen elektodynamischen Wandlern unterstützt.
Flächenstrahler
Elektrostatischer und magnetostatische Lautsprecher 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
Ferroelektrische 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.
Magnetische Lautsprecher
Magnetische Lautsprecher wurden häufig in der Anfangszeit der Audiotechnik verwendet, sind aber heutzutage fast ausgestorben. Ein überlagertes Gleichfeld und das NF-Wechselfeld treibt eine ferromagnetische Membran an.
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##################
oo###xx xx###oo Dauermagnet mit Spule
oo###xx xx###oo
ooNNNxx xxSSSoo
-------------------------------------- ferromagnetische Membran
Die Nachteile dieser Konstruktion sind:
- hoher Klirr, da Kraft zum einen abstandsabhängig und zum anderen nicht exakt linear vom Strom abhängig.
- ungeeignetes, schweres, resonantes Membranmaterial notwendig, welches zu blechernem Klang führt
- Auch im Ruhezustand wird eine Kraft ausgeübt, daher ist muß die Membran schwer und steif sein, was zu schlechter Tiefton (hohe Resonanzfrequenz) und Hochtonwiedergabe (schwere membran) führt.
Dieses Prinzip wird noch bei magnetischen Mikrofonen (auch ausgestorben) und magnetischen Kopfhörern (auch ausgestorben) verwendet. Moving Iron-Schallplattenabtastern (MI) werden dagegen noch verwendet.
Lautsprechergehäuse (1)
Der erste Schritt, um aus einem oder mehreren Lautsprecher-Chassis eine Lautsprecher-Box zu erhalten, ist der Einbau in ein Gehäuse. Das Gehäuse hat mehrere Aufgaben:
- Aufstellung: .... In diesem Zusammenhang kann man Lautsprecherständer bei Kompaktboxen auch mit zum Lautsprechergehäuse zählen.
- Schallführung des rückwärtigen Schalls: Um Frequenzen wiederzugeben, deren Wellenlänge größer ist als der Membrandurchmesser, ist es wichtig, den Luftaustausch zwischen Vorder- und Rückseite (sog. akustischer Kurzschluss) zu behindern. ... Dieser Punkt wird unter Lautsprechergehäuse (1) gehandelt.
- Schallführung des Schalls der Vorderseite: ... Dieser Punkt wird unter Lautsprechergehäuse (2) gehandelt.
Unendliche Schallwand
Um den Druckausgleich zwischen Vorderseite und Rückseite zu unterbinden, kann man das Chassis in eine unendliche Schallwand einbauen. Dieser Konstrukt wird wie der Einbau in eine unendlich große Box für theoretische Betrachtungen verwendet (z.B. Resonanzfrequenz auf unendlicher Schallwand).
Endliche Schallwand
Eine endliche Schallwand ...
Endliche Schallwände waren üblich in Wiedergabegeräten mit eingebauten Lautsprechern, z.B.
- Röhrenradios ("Dampfradio")
- Mono-Transistorradios
- tragbare Wiedergabegeräte mit Lautsprecher
- Fernsehgeräte mit Bildröhre
- ...
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Gefaltet lassen sich die Abmessungen deutlich reduzieren, allerdings werden diese Konstruktionen für Hohlraumresonanzen empfindlicher und müssen ggf. akustisch gedämmt werden.
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Geschlossenes Gehäuse
Ein Geschlossenes Gehäuse ...: Der Lautsprecher ist in ein luftdicht abgeschlossenes Gehäuse eingebaut
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Einfach ventiliertes Bassreflex-Gehäuse
Ein einfach ventiliertes 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 Pegelverlust führt.
+--------------+ | | | / | ## / | ##< | ## \ | \ | | | ------------' | ------------, +--------------+
Bandpaß-Gehäuse
Ein Bandpaß-Gehäuse ...
+--------------+-------------+ | | | | / | | ## / ---------' | ##< ---------, | ## \ | | \ | | | | +--------------+-------------+
Doppelt ventiliertes Bassreflex-Gehäuse
Ein doppelt ventiliertes Bassreflex-Gehäuse ...
+--------------+-------------+ | | | | / | '-------- ## / ---------' ,-------- ##< ---------, | ## \ | | \ | | | | +--------------+-------------+
Passivmembranen
...
Sonderform: Transmissionline-Gehäuse
Transmissionline-Gehäuse: Das rückwärtig abgestrahlte Schallenergie wird über eine Verzögerungsleitung an die Umgebung abgegeben. Diese Verzögerungsleitung wird durch ein Labyrinth im Inneren des Gehäuses erreicht. Dämpfung und Formgebung bewirken, daß nur tieffrequente Signale die Verzögerungsleitungs passieren können, außerdem verringern sie die Schalleitungsgeschwindigkeit. Optimal ist eine Verzögerung von 0,4/f bis 0,6/f an der unteren Grenzfrequenz. Gehäuse sind aufwendig und schwer abzustimmen. Obwohl Bassreflex-Gehäuse effektiver sind und einfacher zu konstruieren sind, bevorzugen manche (vor allem englische) Konstrukteure und Musikliebhaber diese Konstruktion. Trotz oberflächlicher Ähnlichkeiten zu Hornkonstruktionen haben TMLs keine Gemeinsamkeiten mit diesen.
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Sonderform: Hornlautsprecher
Von Hornlautsprechern im Sinn von Lautsprecher-Box spricht man, wenn alle Frequenzbereiche (auch der Baßbereich) lange Hörner benutzen. Je nach Tiefgang der Baßwiedergabe sind solche Hörner groß bis riesig.
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Lautsprechergehäuse (2)
Dieser Abschnitt geschäftigt sich zwar genauso wie Lautsprechergehäuse (1) mit dem Gehäuse, hier geht es aber um den Einfluß des Gehäuses auf den nach vorn abgestrahlten Schall, nicht um den rückwärtigen Schall. Dieser Fakt wird meistens vergessen, obwohl der genauso wichtig ist.
Schallwand
- Montage auf einer kleinen Schallwand: Bei Montage eines Chassis auf einer kleinen Schallwand, die nicht wesentlich größer als die Wellenlänge ist, erhält man einen sogenannten 4-pi-Strahler. Übliche Lautsprecher arbeiten im Tief- und Grundtonbereich in dieser Betriebsart.
- Montage auf Schallwand: Bei Montage eines Chassis auf einer großen Schallwand erhält man einen 2-pi-Strahler. Schalldruck steigt um 6 dB, abgestrahlte Schalleistung um immerhin noch 3 dB.
Wave-Guide / flaches Horn
- Wave-Guide: Auch kurzes Horn genannt. Gegenüber einem 2-pi-Strahler wird die Schallabstrahlung in eine flache Mulde gelegt. Das erhöht den Wirkungsgrad, weiterhin kann bei geeigneter Formgebung eine kostante Bündung im Arbeitsbereich erzieht werden.
Klassischen (langes) Horn
- Klassische Horn-Lautsprecher: Der Lautsprecher wird über ein langes Horn an die Umgebung angekoppelt. Mit einem Horn-Lautsprecher können sehr hohe Wirkungsgrade von >100 dB (1 W, 1 m) 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. <<<muß noch bearbeitet werden>>>
Mehrwegesysteme
Sinn von Mehrwegesystemen
Für tiefere Frequenzen ist der maximale Schallpegel eines Lautsprecher-Chassis abhängig vom maximalen Verschiebevolumen (Hubraum) 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.
Chassisformen für unterschiedliche Frequenzbereiche
Konstruktionsmerkmale und Auswirkungen:
- Membrandurchmesser:
- Membranform/Membranmaterial:
- Schwingspulenüber-/unterhang, maximale Auslenkung:
- Schwingspulendurchmesser:
- Membranmasse:
Übliche Bauformen
- Kalottenlautsprecher mit 0,5" (13 mm) bis 3" (76 mm) für die Wiedergabe von Hochton und Mittelton
- Konuslautsprecher mit 5 cm bis 60 cm für die Wiedergabe von Hochton bis tiefsten Frequenzen
- Magnetostaten mit 2 cm bis 8 cm Größe für die Wiedergabe von Hoch- und Mittelton
Siehe auch Elektrodynamischer Lautsprecher.
Reduzierung der wirksamen Membranfläche
Entgegen üblicher Meinung tritt dieser Effekt nicht nur bei Breitbändern, sondern auch bei größeren Konus-Mitteltönern und Konus-Tiefmitteltönern massiv 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.
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.
Vielwege-Systeme
Konstruktionen mit noch mehr Chassis entziehen sich einer genauen Klassifizierung. Die große Anzahl von Freiheitsgraden und Freiheiten beim Design durch die vergleichsweise geringen Arbeitsbereiche lassen unzählige Konstruktionen möglich, die sich mit X-Wege-System nicht mehr beschreiben lassen.
Frequenzweichen
Funktion von Frequenzweichen
Frequenzweichen haben zwei wesentliche Funktionen:
- Aufteilen des Eingangssignals auf die einzelnen Wege
- Frequenzganglinearisierung / Pegelanpassung der einzelnen Chassis
Weiter kommen noch folgende optionale Funktionen dazu:
- Überlastschutz (aktive durch Limiter oder passiv durch PTCs)
- Impedanzlinearisierung
Bei Passivweichen sind die Möglichkeiten besonders betreffs Frequenzganglinearisierung beschränkt, es sind keine Anhebungen von Amplituden möglich, wie man sie z.B. am vor allem unteren Ende des Frequenzganges es sich wünschen würde.
Es sind allerdings auch Mischsysteme möglich, in denen die Aufteilen des Eingangssignals auf die einzelnen Wege passiv, die Frequenzganglinearisierung aber teilweise oder vollständig durch eine zwischen Vor- und Endverstärker geschaltete Baugruppe geschieht.
Entgegen landläufiger Meinung ist eine Frequenzweiche etwas sehr individuell an ein Chassis-Set angepaßtes System, ein Chassis-Austausch erfordert so gut wie immer eine vollständige Neuanpassung der Weiche.
Die Weiche bestimmt sowohl Direktschallfrequenzgang wie auch das Abstrahlverhalten und damit den Diffusfrequenzgang.
Ausführungsformen
Frequenzweichen können unterschiedlich aufgebaut sein:
- analog passiv
- analog aktiv
- digital aktiv
Es sind auch Mischformen möglich, wie z.B.
- analoger Passivweiche für die Trennung zwischen Mittel- und Hochtonbereich, aber analoger Aktivweiche zur Trennung zwischen Tief- und Mitteltonbereich
- Verlegen der Entzerrfunktion einer Passivweiche in eine zusätzliche Baugruppe
Passivweiche
Passivweichen werden nach dem Leistungsverstärker eingesetzt, und haben damit folgende Restriktionen:
- Es kann nur gedämpft werden, jede Begradigung des Frequenzganges kostet Wirkungsgrad. Je nach Weiche werden 50% bis 85% der zugeführten elektrischen Energie schon in der Weiche in Wärme umgewandelt.
- Es ist damit auch keine Baßentzerrung möglich, wie sie bei aktiven Weichen üblich ist.
- neben dem Einsatz von Kondensatoren und Widerständen sind aufwendige Spulen notwendig.
- Erhebliche Belastung durch Ströme und Spannungen, so ergeben sich vor allem für richtig dimensionierte Spulen erhebliche Größen.
- Umschalten zwischen verschiedenen Abstimmungen (z.B. für Raumentzerrung) aufwendig und daher meist nicht vorhanden.
Beispiel für einfachen 2-Wege-Passiv-Lautsprecher mit Parallelweiche 2. Ordnung:
------------+-----------------------------+
| |
<_ _|_
_> ___
<_ |
| |
+-------+ +-------+
| | | |
_|_ __|__/| <_ __|__
___ | | | Tiefmittel- _> | |\ Kalotten-
| |___| | töner <_ |___|/ hochtöner
| | \| | |
------------+-------+---------------------+-------+
(Elektronische) Aktivweiche
(Elektronische) Aktivweichen werden vor dem Leistungsverstärker eingesetzt. Das birgt folgende Unterschiede zur Passivweiche:
- Für den Aufbau sind nur Kondensatoren, Widerständen sowie Operationsverstärkern notwendig.
- Die Bauelemente benötige keine hohe Belastbarkeit, die Weiche ist leicht miniaturisierbar
- Daher komplexere Weichen möglich
- 100% der Leistungsverstärkerleistung kommt am Chassis an
- Keine Intermodulation der Wege bei Übersteuerung, auch bei Übersteuerung des Basses weiterhin eine saubere Hochtonwiedergabe
- Daher nur ein Bruchteil der Leistung eines Vollbereichsverstärkers notwendig (Faktor 3 bis 10)
- Keine Rückwirkungen zwischen Chassis und Weiche, leichter dimensionierbar
Beispiel für einfachen 2-Wege-Aktiv-Lautsprecher mit Weiche 4. Ordnung:
+-------||--------+ +-------||--------+
| | | |
|\ __ | __ |\ | __ | __ |\ | |\
--| >--+--|__|--+--|__|--+---| >--+--|__|--+--|__|--+---| >--+--|+ \
|/ | | |/ | |/ | >----+
| _|_ _|_ |- / __|__/| Konus-
| --- --- |/ | | | Tiefmittel-
| | | |___| | töner
| _|_ _|_ | \|
| _|_
| __ __
| +------|__|-------+ +------|__|-------+
| | | | |
| | |\ | | |\ | |\
+---||---+---||---+---| >--+---||---+---||---+---| >--+--|+ \
_|_ |/ _|_ |/ | >----+
| | | | |- / __|__
|_| |_| |/ | |\ Kalotten-
| | |___|/ hochtöner
_|_ _|_ |
_|_
Digitale Aktivweiche
Digitale Weichen sind immer Aktivweichen. Es gilt daher im wesentlichen das zu (elektronischen) Aktivweichen gesagte.
Meist sind mehrere Eingänge vorhanden, um sowohl das Einspeisen von analogen Signalen zur erlauben als auch das verlustfreie Einspeisen von Digitalsignalen über XLR, TOS-Link oder S/P-DIF. Hinter einem Quellwahllschalter befindet sich ein Digitaler Signalprozessor geeigneter Leistungsfähigkeit. Dieser korrigiert und teilt das Signal für die entsprechenden Chassis. Das Ausgangssignal wird über Digital-Analog-Wandler wieder ins analoge übersetzt, auf Leistungsverstärker gegeben und den Chassis zugeführt. Der notwendige Aufwand ist höher als bei analogen Aktivweichen, allerdings sind die Möglichkeiten deutlich höher. Es sind deutlich komplexere und trotzdem langzeitstabile Filter möglich. Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung verringern sich die Unterschiede im Aufwand verglichen mit elektronischen Aktivweichen.
Beispiel für einfachen 3-Wege-DSP-Aktiv-Lautsprecher:
_______ _______ |\
+------------+ | | | | +--|+ \
| | 24 bit | RAM | | ROM | | | >-----+
analog ----| AD-Wandler |---//---+ |_____| |_____| | |- / __|__
max. 4 V | | | | | | |/ | |\ Kalotten-
+------------+ | +----------+ +---+-------+---+ | |___|/ hochtöner
+--| | | | | |
+------------+ | | | DAC--+ _|_
| | 24 bit | Quellen- | | Digitaler | |\
S/P-DIF--/--+ S/P-DIF- +---//------| wahl- +----+ Signal- DAC-----|+ \
| Receiver | | schalter | | Prozessor | | >-----+
+------------+ | | | (DSP) DAC--+ |- / __|__/|
+--| | | | | |/ | | | Konus-
+------------+ | +----------+ +---+-+-+-+-----+ | |___| | mittel-
690nm | | 24 bit| | | | | | | \| töner
TOS _/\/\/\_| TOSlink- +---//---+ weitere Anschlüsse | _|_
link | Receiver | für Fernbedienung, | |\
+------------+ Anzeigen, Temperatur- +--|+ \
sensoren, Relais | >-----+ /|
|- / ___|___/ |
|/ | | | Konus-
| | | Tief-
|_____| | Töner
| \ |
| \|
_|_
Mögliche Komfortfunktionen:
- Fernbedienung
- Lautstärkereglung (bei digitaler Zuspielung erforderlich)
- Umschalten zwischen verschiedenen Frequenzgängen und Abstrahlverhalten
- Temperaturüberwachung der Chassis, um
- Zerstörung zu vermeiden
- ggf. Trennfrequenzen anpassen
- temperaturabhängige Parameter zu kompensieren
- Überwachung der Membranauslenkung
- Zerstörung zu vermeiden
- ggf. Trennfrequenzen anpassen
Typische Wiedergabefehler von Lautsprecher / Lautsprechersystemen / Hörräumen
Wiedergabefehler sind entgegen landläufiger Meinung sehr wohl meßbar und deren Auswirkungen auf das Hörereignis sind abschätzbar. Das Hauptproblem ist, daß Hörgewohnheiten und subjektive Präferenzen in die Qualitätseinschätzung mit aufgenommen werden.
Ein weiteres Problem ist, daß Lautsprecher immer mit dem Hörraum interagieren und man dieses System nie allein betrachtzen darf, um den Hörprozeß zu verstehen.
Lineare Wiedergabefehler
Lineare Wiedergabefehler sind im wesentlichen pegelunabhängige Fehler, sie treten bei geringen wie bei hohen Lautstärken auf. Weiterhin entstehen keine im Original nicht vorhandenen Frequenzen.
Verfärbung des Direktschalls
...
Laufzeitfehler
...
Verfärbung des Diffusschalls
...
Nichtlineare Wiedergabefehler
Nichtlineare Wiedergabefehler sind im wesentlichen pegelabhängige Fehler, sie treten im wesentlichen bei hohen Lautstärken auf. Es entstehen dabei zusätzliche Frequenzen, die im Original nicht vorhanden sind.
Klirrfaktor
...
Intermodulation
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Differenzton
...
Dynamikkompression, dynamische Änderung von Parametern
...
Störgeräusche
...
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.
Spritzwassergeschütze Lautsprecher / Unterwasserlautsprecher
Spritzwassergeschütze Lautsprecher bzw. Unterwasserlautsprecher sind Lautsprecher, die feuchtigkeitsresistent sind bzw. an die Erfordernisse der Schallabstrahlung unter Wasser optimiert sind.
Lautsprecherhersteller
- Bose (Lowfi, Hifi, PA)
- Bowers & Wilkins (Hifi, Highend)
- Canton (Hifi)
- Dynaudio (Hifi, Studio)
- Elac (Hifi)
- Genelec (Studio) (Aktivsysteme)
- Klein + Hummel (Studio, PA) (Aktivsysteme)
- Mackie (Studio) (Aktivsysteme)
- Magnepan (Hifi, Magnetostaten)
- Martin Logan (Hifi, Elektrostaten)
- Nubert (Hifi)
- ME Geithain (Studio) (Aktivsysteme)
- Tannoy (Hifi, Studio) (Aktiv- und Passivsysteme)
- Teufel (Hifi)
- Thiel (Hifi)
Weblinks
Grundlagen
Weiterführendes
Hier sind anspruchsvolle Artikel oder Links auf Artikelsammlungen über Raumakustik, Raumentzerrung, Schallfeldsynthese, Raumabbildung, Aktiv-Lautsprecher, DSP-Weichen, anspruchvolle Konzepte u.s.w. zu finden, die erhebliches Grundlagenwissen erfordern, um vollständig verstanden zu werden.
Digitale Signalverarbeitung für Lautsprecher
- http://www.anselmgoertz.de/Page10383/Anselm_Goertz_dt/Veroffentlichungen_dt/SwenDiss.pdf oder
- http://sylvester.bth.rwth-aachen.de/dissertationen/1999/2/99_2.pdf
Neue Methoden zur Anpassung von Studiomonitoren an die Raumakustik mit Hilfe digitaler Filterkonzepte
- http://www.anselmgoertz.de/Page10383/Anselm_Goertz_dt/Veroffentlichungen_dt/DAGA2002-Teil1.PDF und
- http://www.anselmgoertz.de/Page10383/Anselm_Goertz_dt/Veroffentlichungen_dt/DAGA2002-Teil2.PDF
Optimierung der Wiedergabe von Surround Lautsprecheranordnungen in Tonstudios und Abhörräumen
Entwicklung der Digitalen Controller für Lautsprechersysteme
Selbstbau:
- Double Bass Array: http://www.visaton.de/vb/showthread.php?s=&threadid=7500g
- DSP-3-Wege-Aktiv-Flachlautsprecher: http://www.hifi-forum.de/index.php?action=browseT&forum_id=104&thread=1&z=1#38
Literatur
Empfehlenswerte Bücher
- Dickason, Vance: Lautsprecherbau. ISBN 389576116-8
- Stark, Berndt : Lautsprecher-Handbuch. 8. überarbeitete Auflage. ISBN 3-7905-0904-3
- Walz, Georg: Lautsprecherboxen erfolgreich selbst bauen. 2. Auflage. ISBN 377235894-2
Empfehlenswerte Periodika
Es erscheinen zur Zeit drei deutschsprachige Publikationen die sich mit dem Bau von Lautsprechern und dem Test von Lautsprecherchassis beschäftigen:
