Lautsprecher: Bauformen-Funktionsweise-Geschichte

Heute möchte ich die Funktionsweise unserer Schallwandler, den Lautsprechern erklären.

Natürlich ist das ganze erst mal ein sehr trockenes Thema, allerdings solle man das dann wohl doch verstanden haben bevor man mit der Produktion von Musik beginnt.

Lautsprecher

Funktionsweise – Bauformen – Anwendungsgebiete – Geschichte

Grundprinzip:

Definition:

Ein Lautsprecher ist ein Gerät, das niederfrequente elektrische Signale in Schall umwandelt.

Die Aufgabe des Lautsprechers ist es, die Luft in periodische Schwingungen zu versetzen – welche ihrerseits das Trommelfell im menschlichen Ohr zum Schwingen bringt.

Um die elektrischen Signale in Schallwellen umzusetzen werden fast ausschließlich Membranen in mechanische Schwingungen versetzt, womit auch die Luft um die Membran in Bewegung gerät.

Diese Membranen sollen normalerweise als Kolbenstrahler wirken, d.h. dass die gesamte Membran gleichmäßig bewegt wird.

Dies ist im Allgemeinen nur bei – im Verhältnis zur Membranfläche – tiefen Frequenzen zu erreichen. Alle Membranen unterteilen sich bei höheren Frequenzen in Gebiete die sich gegensinnig bewegen, dabei entstehen natürlicherweise tote Linien, auf denen sich die Membran gar nicht bewegt. Diese Phänomene bezeichnet man als Partialschwingungen.

PartialschwingungenSo äußern sich Partialschwingungen.
Selbstverständlich ist diese Darstellung nur Beispielhaft, aber man gewinnt einen ganz guten Eindruck.

Diese Partialschwingungen setzen dem Lautsprecher eine obere Frequenzgrenze für die Nutzung der Membran, da sonst Resonanzerscheinungen überhand nehmen. Durch verwendung bestimmter Werkstoffe, wie zum Beispiel weichen Polymeren kann eine Bessere innere Dämpfung erreicht werden, wodurch Partialschwingungen minimiert werden.

Nachdem aber die Verwendung von weichen Werkstoffen für die Membranen auf Kosten des Wirkungsgrades gehen, muss gerade bei PA-Lautsprechern ein Kompromiss aus Wirkungsgrad und Membransteife, also damit den Partialschwingungen getroffen werden.

Bei der Abstrahlung von Schallwellen kommt es nicht auf die Membranauslenkung, sondern die Geschwindigkeit an. Der Strahlungswiederstand ist dafür verantwortlich dass aus der Geschwindigkeit der Membran eine Druckwelle entsteht. Dieser ist abhängig von der Membranform, Größe, Frequenz und dem Medium (Luft).

Der Strahlungswiederstand steigt im normalfall proportional zur Frequenz, allerdings ist es bei den meisten Lautsprechern so, dass in einem Bestimmen Bereich die abgestrahlte Leistung unabhängig von der Frequenz ist, woraus sich ihr Hauptarbeitsbereich (Einsatz als Hoch-, Mittel- oder Tieftöner) ergiebt.

Grundsätzlich kann man sagen, je größer der Lautsprecher ist, desto träger ist er auch. So können also große Lautsprecher gut tiefe frequenzen wiedergeben und kleine Lautsprecher eher höhere.

Grundsätzliche Probleme:

Lautsprecher werden mit der Ambition gebaut, das zuvor aufgenommene Signal möglichst Linear, d.h. originalgetreu wiederzugeben.

In der Realität ist das aber unmöglich:

Selbst wenn ein Lautsprecher einen Perfekt Linearen Frequenzgang hätte, würde der Hörraum diese linearität zerstören, nachdem sich der direkt- und diffusschall vermischen und sich somit in manchen Bereichen gegenseitig auslöschen bzw. aufschaukeln.

Für einen ganz bestimmten Punkt im Raum (in Tonstudios der Regieplatz) können diese Verfälschungen zwar weitgehend eliminiert werden, jedoch beschränken sich diese Verbesserungen ausschließlich auf diesen Punkt.

Nachdem solche verfälschungen nicht nur durch Lautsprecher, sondern auch durch beispielsweise Stimmen oder Instrumente auftreten, ist das Menschliche Gehör jedoch relativ unempfindlich gegen diese.

In etwa so  kann man sich die Überlagerung
von Direkt- und Diffusschall vorstellen.

Nun möchte ich die wichtigsten Lautsprechertypen vorstellen:

Elektrodynamische Lautsprecher:

Die Elektrodynamischen Lautsprecher sind die herkömmlichen Lautsprecher, sie werden am Häufigsten für Lautsprecherboxen verwendet.

Bei elektrodynamischen Lautsprechern wird die Membran durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und einem gleichbleibenden Magnetfeld angetrieben.

Eine stromdurchflossene Spule (frei schwingend aufgehängt) befindet sich im magnetischen Gleichfeld eines Magneten.

Die Membran ist an der Spule befestigt. Wenn sich also die Spule bewegt, versetzt sie gleichzeitig die Membran in bewegung.

Übrigens: So funktionieren auch Dynamische Mikrofone, nur genau anders herum. Ein Elektrodynamischer Lautsprecher kann also auch als Dynamisches Mikrofon verwendet werden -> Yamaha Subkick o.ä.

Magnetostatische Lautsprecher

Magnetostaten sind Lautsprecher, bei denen der Antrieb nicht eine lokale Spule ist, sondern auf der ganzen Membran verteilt ist (Folien-Magnetostaten) oder selbst die Membran (Bändchen) darstellt.

Im Normalfall werden sie in Lautsprecherboxen als Hoch- oder MItteltöner eingesetzt, es gibt aber auch schrankgroße Vollbereichsmagnetostaten mit zusätzlichem Subwoofer für die ganz tiefen Frequenzen.

Bändchen-Magnetostaten

Als Membranmaterial findet bei Bändchen meistens Aluminium Anwendung.

Die Membran ist nur etwa 10µm dick, entspricht also etwa Alufolie.

Diese Folie wird vertikal von elektrischem Strom durchflossen und befindet sich in einem starken Magnetfeld eines Permanentmagneten, dessen Feldlinien horizontal verlaufen. Die resultierende Lorentzkraft bewegt die Membran vor und zurück und führt zur Schallabstrahlung.

Folien-Magnetostaten

Die Membran ist eine Kunststofffolie, auf der Leiterbahnen aufgebracht sind. Auch hier ist Aluminium üblich. Es sind deutlich mehr Bauformen als bei Bändchen-Magnetostaten möglich.

Folien sind deutlich robuster als Bändchen. Allerdings gibt es häufig Probleme mit der Dauerhaftigkeit der Verbindung der Leiterbahnen mit der Folie.

Ferroelektrischer Lautsprecher (häufig auch Piezolautsprecher genannt)

Wenn man eine tonfrequente Spannung an ein geeignetes Ferroelektrikum (Häufig Piezokristalle) anlegt, beginnt dieses sich im Rhythmus der Spannung zu verformen. Diese Verformungen des Ferroelektrikums werden auf eine Membran übertragen. Diese Membran strahlt (direkt oder über ein Horn) Schallwellen ab.

Typische Ferroelektrische Lautsprecher haben Resonanzfrequenzen im Bereich zwischen 1 und 100 kHz. Daher können diese Lautsprecher nur als Hoch- und Mitteltöner verwendet werden.

Die Belastbarkeit wird durch Spannungsfestigkeit, Temperatur und mechanische Zerstörung beschränkt.

Hauptsächlich sind solche Lautsprecher in günstigen PA-Lautsprechern sowie Autoanlagen verbaut. Ausserdem finden sie verwendung in Weckern und Handys.

Typischer „Buzzer“ aus einem Wecker

Nun möchte ich noch kurz ein paar wichtige Punkte aus der Entwicklung des Lautsprechers nennen:

  • 1878 Werner von Siemens meldet das Patent für den heute noch Gebräuchlichen Elektrodynamischen Lautsprecher an, damals fehlten aber noch geeignete Verstärker
  • 1898 Der in England als der Begründer der modernen Lautsprecher angesehene Sir Oliver Lodge baut eine Versuchsordnung auf mit der Spannung in akustische Laute gewandelt werden kann. Für die naturgetreue Wiedergabe von Klängen taugte der primitive elektromagnetische Lautsprecher noch nicht, aber ein Anfang war gemacht.
  • 1925 Die erste Funkausstellung in Berlin im Jahre 1925 präsentiert mit dem Blatthaller den ersten elektrodynamischen Lautsprecher. Im gleichen Jahr entwickelt die amerikanischen Firma Western Electric den elektrodynamischen Lautsprecher, wie er im Prinzip heute noch in weit über 90 Prozent aller Lautsprechersysteme eingebaut wird.
  • 1951 Albert Neville Thiele und Richard H. Small, bringen die Wechselwirkungen zwischen dem Lautsprecher und seinem Gehäuse auf eine theoretisch fundierte Grundlage. Das war die Voraussetzung dafür, dass heute relativ kleine Lautsprecherboxen erstaunlich tiefe Frequenzen abstrahlen können. So verwundert es nicht, dass die Mehrzahl der heute aktiven Lautsprecherhersteller sich erst in den sechziger und frühen siebziger Jahren gründeten.
Historischer Lautsprecher von Celestion

Ich hoffe ich konnte euch hiermit den Lautsprechern etwas näher bringen.

Das nächste Thema wird dann auch nicht ganz so trocken *g*

Grüße,

euer Simon

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~ von herrvorragendtontechnik - Dezember 10, 2009.

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