Lautsprecher

Ein Lautsprecher ist ein Bauteil der Elektrotechnik, das 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).

Der Begriff Lautsprecher wird häufig synonym für in Gehäuse eingebaute Lautsprecherchassis 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 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 Lorenzkraft eine Kraft auf die membran ausgeübt, die diese zur Bewegung veranlaßt. Für hochwertige Chassis muß die Membran rotationssysmmetrisch 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 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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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 i.A. 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 daher i.A. Lautsprecher mit unterschiedlichen Durchmessern oder Bauformen eingesetzt:

• Hochtöner, üblicherweise in Kalottenbauform mit möglichst geringer bewegter Masse oder als Bändchen
• Mitteltöner, üblicherweise 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, sog. Frequenzweichen aus Kondensatoren, Spulen und Widerständen, ein.

Lautsprecher, die versuchen den gesamten Audio-Frequenzbereich abzudecken, sog. 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 i.A. 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 i.A. 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)

Sog. 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 i.A. in Gruppen (sog. Arrays oder Cluster) eingesetzt werden, muß das Abstrahlverhalten der Einzelsysteme zudem ihrer jeweilgen Anornung 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

• Akustik- und Lautsprecher-Guide von Carsten Rampacher
• Großes Lexikon mit Schwerpunkt Multimedia

Literatur

• Stark, Berndt : Lautsprecher-Handbuch. 8. überarbeitete Auflage. ISBN_3-7905-0904-3
• Walz, Georg: Lautsprecherboxen erfolgreich selbst bauen. 2. Auflage. ISBN_3772358942