- Lautsprecher
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Ein Lautsprecher ist ein Gerät, das niederfrequente elektrische Signale in Schall umwandelt. Er dient somit der Beschallung.
Beispiele für Lautsprecher
Lautsprecher werden in verschiedenen Ausführungen und Qualitäten produziert. Verwendet werden Lautsprecher in der Regel in Lautsprecherboxen, Radios, Fernsehern, Funkempfängern, Handsprechfunkgeräten, Messempfängern, Mobiltelefonen und Kopfhörern. Die Größe eines Lautsprecher-Moduls hängt neben der zu produzierenden Schallleistung auch von der zu reproduzierenden Tonhöhe ab, so benötigen Lautsprecher für tiefe Töne meist größere Abmessungen.
Etymologisches
Während die Bezeichnung Lautsprecher im Alltagsgebrauch häufig mit besonders hoher Lautstärke oder Verstärkung von Schall gleichgesetzt wird, geht die Bezeichnung Schallwandler mehr auf den Aspekt der Umwandlung elektrische übermittelter Signale in Schall ein.
Lautsprecher werden auch Chassis oder Treiber genannt, obwohl diese Begriffe eigentlich nur bestimmte Teile von Lautsprechern bezeichnen, nämlich den sogenannten Korb und den Membranantrieb. Auch der Anglizismus Speaker sowie Hörer im Sinne von Kopfhörer und Telefonhörer sind gebräuchlich.
Geschichte des Lautsprechers
Hauptartikel: Geschichte des Lautsprechers
Historischer magnetischer Lautsprecher der Firma Celestion aus dem Jahr 1924
Hornlautsprecher als KunstobjektDie Entwicklung der Lautsprecher ist direkt mit der Erfindung des Telefons verknüpft und beginnt folglich 1860 mit der ersten öffentlichen Vorführung eines Fernsprechapparates durch Antonio Meucci. Ein Jahr später (1861) präsentierte Philipp Reis sein Telefon. Einen weiteren Beitrag leistete Alexander Graham Bell durch die Weiterentwicklung des Telefons und Thomas Alva Edison 1870 durch seine Experimente mit seinem Phonographen.
Die Erfindung des Schallwandlers fand somit sozusagen nebenbei statt.
Werner von Siemens hat 1878 ein Patent für den noch heute gebräuchlichen elektrodynamischen Lautsprecher erhalten, sein Pech war aber das Fehlen geeigneter Verstärker. Als Begründer der modernen Lautsprecher gilt in England der Physikprofessor Sir Oliver Lodge. Für die im heutigen Sinne naturgetreue Wiedergabe von Klängen taugte der primitive elektromagnetische Lautsprecher natürlich noch nicht, aber immerhin war ein Anfang gemacht.
Erst bei der Funkausstellung in Berlin, im Jahre 1925, wurde der erste elektrodynamische Lautsprecher der Öffentlichkeit präsentiert.
Im gleichen Jahr hatten Edward Kellog und Chester Rice von der amerikanischen Firma Western Electric den elektrodynamischen Lautsprecher entwickelt, wie er im Prinzip heute noch in weit über 90 Prozent aller Lautsprechersysteme eingebaut wird. Der Grundaufbau ist unter Elektrodynamischer Lautsprecher beschrieben.
Darauf folgend wurde der Wirkungsgrad, Größe und Wiedergabetreue optimiert, wobei das Grundprinzip des elektrodynamischen Lautsprecher unverändert blieb. Die Verbesserungen wurden unter anderem durch den Einsatz von Permanentmagneten und die Erforschung der Wechselwirkung zwischen Gehäuse und Lautsprecher (Thiele-Small-Parameter) erreicht.
Neuere Entwicklungen zeigen eine generell andere Generation von Lautsprechern. 1978 gründete Jon Dahlquist mit der Unterstützung von Saul B. Marantz die Firma Dahlquist, die erste Lautsprecher ohne Gehäuse und Simulation von Flächen aus phasenrichtigem Array von Wandlern präsentierte. Stanley Marquiss ging noch weiter und präsentierte den ersten wirklich flachen Lautsprecher zur Aufbringung auf die Wand 1983.1993 entstand der von Ken Heron entwickelte Distributed Mode Lautsprecher, der gezielt Partialschwingungen zur Schallerzeugung nutzt.
Richtlautsprecher waren bis 2007 nur als Speziallautsprecher mit starker Richtcharakteristik zur gezielten Beschallung definierter Hörzonen eingesetzt. Tony Hooley nutze 2007 in seinen Soundprojektoren mehrere Piezo-basierte Wandler als Richtlautsprecher, um ein Surround-System aus einer Box heraus zu konstruieren und so den Einsatzbereich wesentlich zu erweitern
Elwood G. Norris setze 1996 Richtlautsprecher in Ultraschalltechnologie ein, um flache Lautsprecher zu realisieren. Dabei werden dem Ultraschall Hörfrequenzen aufmoduliert.
Eine weitere Sonderform ist die Wellenfeldsynthese. Auch hier werden eher definiert bündelnde Aufnahmen und Wiedergabesysteme eingesetzt. Es gilt ein virtuelles Akustikereignis zu schaffen.
Grundprinzip
Zur Wandlung elektrischer Energie in Schallwellen werden fast ausnahmslos Membranen (meistens flach trichterförmige, konzentrisch zulaufende dünne Pappen oder Ähnliches mit ringförmiger Wulst am äußeren Rand und flachkugelig nach außen gewölbtem Zentrum) in mechanische Schwingungen versetzt. In den meisten Fällen sollen diese als Kolbenstrahler wirken, die Membran soll also ganzflächig und gleichmäßig bewegt werden. Dieses ist im Allgemeinen nur bei, im Verhältnis zur Membranfläche, tiefen Frequenzen zu erreichen. Alle Membranen brechen bei höheren Frequenzen in Teilgebiete auf, die sich gegensinnig bewegen. Dabei entstehen notwendig Knotenlinien, auf denen sich die Membran gar nicht bewegt. Im Allgemeinen setzt dieses Phänomen der Partialschwingungen eine obere Frequenzgrenze für die Nutzung der Membran, da dann Bündelungs- und Resonanzerscheinungen überhand nehmen. Durch gezielte Werkstoffauswahl, beispielsweise weiche Polymere, können Membranen eine hohe innere Dämpfung erhalten, die die Partialschwingungen erfolgreich niederhalten, so dass die obere Frequenzgrenze eher durch die geometrisch bedingte Bündelung des Schalls oder durch Gegebenheiten des Antriebs bestimmt wird. Dies geht auf Kosten des Wirkungsgrades und eventuell auch des Klirrverhaltens. Meistens bedingt ein hoher Wirkungsgrad harte Membranen und dadurch mehr Partialschwingungsprobleme.
Die Abstrahlung von Schallwellen ist intuitiv schwer zu erfassen und wird meistens falsch verstanden. Sie hat zwei Anteile. Es kommt zuerst dabei nicht auf die sichtbare oder fühlbare Membranauslenkung an, sondern auf die Membranschnelle, also die Momentangeschwindigkeit. Der Strahlungswiderstand ist zweitens dafür verantwortlich, dass die Membranschnelle in eine Druckwelle umgesetzt wird. Dieser Widerstand ist abhängig von der Membranform und Größe sowie der Frequenz und dem Medium (meistens Luft). Er hat stets den Wert 0 bei der Frequenz 0 Hz und steigt bis auf einen von Form und Größe der Membran vorgegeben Grenzwert an, mit einigem Überschwingen. Beim klassischen Problem des Kolbenstrahlers in unendlicher Schallwand im allseits unendlich großen Raum ist der Strahlungswiderstand bis zum Grenzwert proportional zur Frequenz. Dies sollte ein stark höhenbetontes Klangbild zur Folge haben. Es ist bei fast allen Strahlern aber so, dass die aufgebrachte mechanische Kraft für höhere Frequenzen konstant ist und damit nach Newton auch die Beschleunigung. Dies bedingt, dass die Schnelle umgekehrt proportional zur Frequenz ist. Dies kompensiert genau das Ansteigen des Strahlungswiderstandes. Bei den meisten Strahlern gibt es also ohne weiteres Zutun einen Bereich, in dem die abgestrahlte Leistung unabhängig von der Frequenz ist und dieser wird folglich zum Hauptarbeitsbereich gewählt.
Das Beispiel mit der unendlichen Schallwand zeigt, dass eine analytisch mathematische Behandlung nur in einfachen Modellfällen möglich ist. Mehrere Membranen oder Resonatoren interagieren miteinander und den Strukturelementen von Räumen. Dies verändert auch den Strahlungswiderstand. Man kann sich den Strahlungswiderstand auch vorstellen als zusammengefasste Rückwirkung des Strahlungsfeldes auf den Strahler.
Bei Direktstrahlern, die nur Membranen beinhalten, sind die Kräfte, mit denen das Strahlungsfeld auf die Membran zurückwirkt gegenüber der Antriebskraft, der Massenträgheit und den elastischen Federkräften vernachlässigbar. Die Bewegung der Membran ist also praktisch unabhängig vom barometrischen Gleich-Luftdruck, bis hin zum Vakuum. Elektrische und mechanische Messungen an Chassis sind somit im Freifeld vergleichbar mit solchen im Hallraum. Die Berechnung der Zusammenschaltung mehrerer Membranen zu einem Feld kann daher durch einfache, rückwirkungsfreie Überlagerung der Einzelcharakteristiken erfolgen. In diesem Fall spricht man von einer Fehlanpassung mit entsprechend geringem Wirkungsgrad.
Der Einsatz von akustischen Resonatoren oder Impedanztransformatoren, beispielsweise Hörnern, ändert punktuell oder breitbandig sehr drastisch die Ankopplung der Membran an das Strahlungsfeld. Die Kräfte des Strahlungsfeldes auf die Membran sind nicht länger vernachlässigbar. Die Zusammenschaltung ist in diesem Fall nicht rückwirkungsfrei und auch die anderen Vereinfachungen gelten nicht mehr. In diesem Fall spricht man von einer Leistungsanpassung mit gutem Wirkungsgrad.
Prinzipielle Grenzen
- Hauptartikel: Schallreproduktion
Eine unüberwindliche Ursache für Klangverfälschungen ist der Hörraum selbst. Selbst wenn der Schallwandler ohne jeden Fehler ideal funktionierte, werden die von den Wänden zurückgeworfenen Schallwellen in komplizierter Weise mit dem Direktschall überlagert. Bestimmte Frequenzen werden stark gedämpft übertragen und ein unregelmäßiges Verhalten tritt auf. An zwei leicht verschiedenen Orten ergeben sich stark unterschiedliche Ergebnisse.
Für einen bestimmten Punkt im Raum könnten die Verfälschungen durch inverse Filterung beseitigt werden. Allerdings werden die Probleme wenige Zentimeter daneben nicht besser, sondern eher schlimmer. Damit ist klar, dass das Schallfeld eines Aufnahmeraumes auf keinen Fall im normalen Hörraum reproduziert werden kann und dass das Optimieren des Frequenzganges im echoarmen Raum im Falle des normalen Hörraumes relativ uninteressant sind. Diese Effekte treten auch bei anderen Schallquellen auf, etwa bei einem Sprecher oder einem Musikinstrument an Stelle des Lautsprechers. Die Verfälschungen sind immer vorhanden und gehören zur Alltagserfahrung, es ist kein Zufall, dass das Gehör unempfindlich gegenüber solchen Störungen ist.
Antriebsformen
Schallwandler können auf unterschiedliche Weise angetrieben werden. Die überwiegende Bauform ist dabei der elektrodynamische Lautsprecher mit zentralem Antrieb.
Elektrostatische und magnetostatische Lautsprecher werden auf Grund der großen strahlenden Flächen auch als Flächenstrahler bezeichnet. Deren Merkmale sind die bipolare Abstrahlung sowie hohe Bündlungsfaktoren schon bei mittleren Frequenzen.
Elektrodynamischer Lautsprecher
- Hauptartikel: Elektrodynamischer Lautsprecher
Bei elektrodynamischen Lautsprechern wird die Membran durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und einem magnetischen Gleichfeld angetrieben.
Eine stromdurchflossene Spule („Schwingspule“) befindet sich im magnetischen Gleichfeld eines Magneten.
Der klassische elektrodynamische Lautsprecher hat eine zentrale Schwingspule. Andere Formen arbeiten mit dezentralen Antrieben. Diese werden als Magnetostaten bezeichnet und sind eine Form von Flächenstrahlern.
Die Spule befindet sich auf einem Schwingspulenträger, der wiederum an der Membran befestigt ist. Leitet man einen Wechselstrom durch die Spule, wird durch die Lorentzkraft eine Kraft auf die Membran ausgeübt, die diese zum Schwingen veranlasst. Spule und Membran können sich im Magnetfeld vorzugsweise in der Richtung senkrecht zum Feldverlauf hin- und herbewegen. Eine Zentrierspinne und die Sicke sind für die Rückführung der Membran in die Ruhelage sowie für die Zentrierung der Schwingspule verantwortlich. Die Sicke verhindert außerdem einen direkten Luftaustausch zwischen Vorder- und Rückseite.
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Schema eines dynamischen Lautsprechers (Konus-Bauform, Schnittdarstellung)
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Aufschnitt-Ansicht eines Lautsprechers
Magnetostatischer Lautsprecher
- Hauptartikel: Magnetostatischer Lautsprecher
Magnetostaten sind 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.
Sie finden sich vor allem im oberen Frequenzbereich als Hochtöner oder teilweise als Mitteltöner Anwendung, es gibt aber auch schrankgroße Vollbereichsmagnetostaten beziehungsweise Vollbereichsmagnetostaten mit zusätzlichem Subwoofer für die ganz tiefen Frequenzen.
Bändchen-Magnetostaten
Als Membranmaterial findet bei Bändchen meistens Aluminium Anwendung. Entgegen allgemeiner Meinung kommt es bei Bändchen-Magnetostaten zu signifikanten Partialschwingungen, sobald die Wellenlänge des Schalls in Luft kleiner als der doppelte Leiterbahnenabstand wird. Für 17 kHz sind daher maximal Abstände von 1 cm zulässig.
Zum Erreichen einer horizontalen Abstrahlung ist das Bändchen vertikal orientiert. Dabei ist es zum Erreichen einer breiteren Abstrahlung unter gleichzeitiger Reduzierung von Boden- und Deckenreflexionen deutlich höher als breit (Hochtöner 25 mm × 80 mm, Mitteltöner 60 mm × 200 mm) und häufig leicht konvex gekrümmt. Diese Krümmung sowie eine häufig anzutreffende leichte Strukturierung geben der sehr dünnen (etwa 10 µm, also etwa Alufolie) und sehr empfindlichen Membran eine gewisse mechanische Stabilität.
Diese Folie wird vertikal von elektrischem 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.
Auf Grund der geringen Leiterlänge ist die Impedanz sehr niedrig (einige Milliohm). Daher sind entweder spezielle Verstärker oder Transformatoren notwendig.
Folien-Magnetostaten
Eintaktaufbau (Schnittbild, Blick von oben)
Gegentaktaufbau (Schnittbild, Blick von oben)Die Membran ist eine Kunststofffolie, 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.
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 Frequenzgang führt.
Folien sind deutlich robuster als Bändchen, an denen schon die Landung einer Stubenfliege Schäden verursachen kann. Weiter gibt es häufig Probleme mit der Dauerhaftigkeit der Verbindung der Leiterbahnen mit der Folie.
Elektrostatischer Lautsprecher
Prinzip eines elektrostatischen Lautsprechers, Ansteuerung konventionell- Hauptartikel: Elektrostatischer Lautsprecher
Elektrostatische Lautsprecher nutzen die elektrostatische Anziehungskraft.
Bei der Ansteuerung gibt es verschiedene Prinzipien: Entweder wird die Tonfrequenz an den Statoren angelegt oder an der Membran. Zur Steuerung werden hohe Spannungen (z.B. 3500V) benötigt.
Die Membran muss mechanisch vorgespannt werden, da die Ruhelage labil ist (bei Magnetostaten ist sie indifferent).
Die entstehenden Kräfte sind verglichen mit elektrodynamischen Lautsprechern sehr klein. Der Kennschalldruck oder die Kennempfindlichkeit von Elektrostaten (ohne Horn) ist sehr begrenzt.
Trotz Gegentaktansteuerung erzeugen größere Schwingamplituden hörbaren Klirrfaktor. Das Designproblem ist, dass für größere Schwingamplituden notwendige größere Abstände der Elektroden den Kennschalldruck 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 Schwingungsamplitude weiter erhöht.
Die Schallabstrahlung erfolgt bei Elektrostaten prinzipbedingt relativ stark gerichtet, das heißt bei einer Stereoaufstellung entsteht ein sehr schmaler Bereich des optimalen Hörens, der so genannte „Sweetspot“.
Durch entsprechende Konstruktionen wird versucht, diesem Phänomen zu begegnen:
- Krümmung der Oberfläche des Elektrostaten
- Segmentierung der Abstrahlfäche
- Verwendung vorgesetzter akustischer Linsen
Eine Basswiedergabe erfordert unverhältnismäßig große Elektrostatenflächen, daher ist dieses Wandlerprinzip für die Basswiedergabe nicht sonderlich geeignet und wird häufig im Bass von zusätzlichen elektrodynamischen Wandlern unterstützt.
Ferroelektrischer Lautsprecher
Buzzer - ein elektrisch angesteuerter akustischer Signalgeber- Hauptartikel: Ferroelektrischer Lautsprecher
Ferroelektrische Lautsprecher, häufig nicht ganz zutreffend Piezolautsprecher oder kurz „Piezo“ genannt, verwenden den inversen piezoelektrischen Effekt eines Ferroelektrikums, um eine elektrische Spannung in mechanische Schwingungen zu verwandeln. Wenn man eine tonfrequente Spannung an ein geeignetes Ferroelektrikum anlegt, beginnt dieses sich im Rhythmus der Spannung zu verformen. Diese Verformungen des Ferroelektrikums werden auf eine Membran übertragen. Diese schwingende Membran strahlt dann direkt oder über ein Horn Schallwellen ab.
Typische Ferroelektrische Lautsprecher haben Resonanzfrequenzen im Bereich zwischen 1 und 5 kHz, für Ultraschallanwendungen auch bis 100 kHz. Daher kann diese Lautsprecherart nur für den Mittel-Hochtonbereich (0,5…100 kHz) verwendet werden.
Aufgrund zahlreicher Resonanzmoden von ferroelektrischen Lautsprechern und ihrer geringen inneren Dämpfung sind diese für Hifi-Anwendungen ungeeignet.
Die Belastbarkeit wird durch Spannungsfestigkeit, Temperatur und mechanische Zerstörung beschränkt.
Elektromagnetischer Lautsprecher
- Hauptartikel: Elektromagnetischer Lautsprecher
Elektromagnetische Lautsprecher wurden häufig in der Anfangszeit der Audiotechnik verwendet. Es wird entweder eine Eisen-Membran bewegt, die den Schall direkt abstrahlt (siehe Skizze), oder ein von einer Spule umschlossener Eisenstab schwingt vor dem Luftspalt eines Dauermagneten und ist mit einer Papiermembran verbunden. Solche Lautsprecher werden heute nicht mehr gebaut.
Die Nachteile dieser Konstruktionen sind:
- hoher Klirrfaktor,
- ungeeignetes, schweres, resonantes Material für Membran beziehungsweise Eisenstab notwendig, was zu blechernem Klang führt
- schlechte Tiefton- und Hochtonwiedergabe
Dieses Prinzip wird auch bei magnetischen Mikrofonen und elektromagnetischen Kopfhörern (beide veraltet), sowie in Telefon-Sprechmuscheln verwendet.
Plasmahochtöner
- Hauptartikel: Plasmahochtöner
Beim Ionenlautsprecher oder Plasmahochtöner (Plasmatweeter, Ionenhochtöner) wird die physikalische Eigenschaft der Luft genutzt, sich beim Erwärmen auszudehnen. Dazu wird mit Hilfe eines niederfrequent modulierten Hochspannungsverstärkers ein Wechselstrom zwischen zwei Elektroden erzeugt, der ein leuchtendes Luftplasma generiert, dessen Volumen sich im Takt der Modulation verändert.
Der Ionenlautsprecher erzeugt keine Vor- und Nachschwinger. Der Frequenzgang ist messbar von 500 Hz bis weit in den MHz-Bereich (übliche Messmikrofone messen bis ca. 100 kHz, darüber hinaus kann das Schallwandlerprinzip umgekehrt werden und ein Plasmahochtöner als Mikrofon verwendet werden). In der Praxis ist es allerdings schwierig, diesen Hochtöner mit derzeit verfügbaren Mittel- und Tieftonsystemen so zu kombinieren, dass ein homogenes und annähernd natürliches Klangbild entsteht. Durch die hohe Störaussendung ist der Einsatz eines solchen Plasmahochtöners kaum möglich, da eine Einhaltung der Grenzwerte nach DIN EN eine breitbandige Abschirmung erfordert, die sich als konträr zur Schallausbreitung darstellt. Problematisch an dieser Schallwandlungsmethode ist weiterhin, dass durch das starke, ionisierende Feld größere Mengen Stickoxide erzeugt werden, die in Wechselwirkung mit dem Luftsauerstoff Ozon bilden. Durch den Einsatz von Katalysatoren in modernen Konstruktionen lässt sich die bei älteren Systemen deutliche Geruchsbelästigung inzwischen fast vollständig vermeiden. Gesundheitliche Schäden, auch bei längerem Betrieb, sind dabei nicht zu erwarten.
Biegewellenwandler
- Hauptartikel: Biegewellenwandler
Ein etwas anderes Funktionsprinzip haben die Biegewellenwandler etwa nach Josef Wilhelm Manger oder Walsh.
Die Wellen breiten sich auf der Membran wie auf einer Wasseroberfläche aus (Oberflächenwelle). Die Anregung der Membran erfolgt elektrodynamisch durch eine Spule. Durch den von ihr erzeugten mechanischen Impuls breiten sich Wellen frequenzabhängig von der Stelle der Anregung in der Mitte konzentrisch aus.
Im Prinzip lässt sich jede beliebige Oberfläche als Membran verwenden, praktisch jedoch nur mit mäßiger akustischer Qualität. Die maximalen Pegel sind recht gering und damit einhergehend bereiten Verzerrungen bei höheren Pegeln Probleme, da die Biegeschwingungen bei großen Amplituden nichtlinear werden und Harmonische erzeugen.
Die kommerzielle Anwendung erstreckt sich von lautstarkem Public Address über Heim Phono bis zu schallaktiven Displays von Mobiltelefonen. Je nach Konstruktionsaufwand ermöglicht das Prinzip auch eine objektiv hervorragende Wiedergabe, jedoch sind solche Systeme verglichen mit elektrodynamischen Lautsprechern ähnlicher Qualität deutlich teurer.
Ultraschalllautsprecher
- Siehe auch Ultraschall
Ultraschalllautsprecher dienen zur Abstrahlung von Ultraschall in Luft zur Datenübertragung, zum Vertreiben von Insekten oder zu Messzwecken (z. B. Entfernungsmessung nach dem Laufzeitprinzip).
Zur Reinigung, Materialbearbeitung, beim Echolot und Sonar oder bei Ultraschalluntersuchungen an Schweißnähten und in der Medizin werden hingegen Ultraschallwandler eingesetzt.
Unter Ausnutzung von nichtlinearen Effekten kann aus gebündeltem Ultraschall hörbarer Schall (Subharmonische) erzeugt werden. Dieses Verfahren ist jedoch wenig reproduzierbar und daher kaum zur Audiowiedergabe geeignet.
Bauformen
Neben der durch die Antriebsart bedingten Bauformen unterscheiden sich die Lautsprecher auch in rückwärtig in die Schallwand einzubauende Systeme und solche für Frontmontage. Da die Systeme für Frontmontage ohne eine, bei höheren Frequenzen störende, Abdeckung betrieben werden, erfordert dieses eine optisch ansprechende Ausführung der Membran.
Rundumlautsprecher (Rundumstrahler)
Der Rundum-Lautsprecher ist eine spezielle Bauform und Antriebsart eines Lautsprechers, bei dem der Schall von einem Punkt aus 360° in die Umgebung abgestahlt wird.
Fehler bei der Schallreproduktion
- siehe auch Akustik und Psychoakustik
Rein akustisch bedingte Wiedergabefehler sind entgegen landläufiger Meinung sehr wohl messbar und deren Auswirkungen auf das Hörerlebnis sind, soweit es nicht die Aufnahme des Schallereignisses durch das menschliche Ohr betrifft, abschätzbar.
Eine Grundvoraussetzung für gute Audiowiedergabe ist, dass die Lautsprechersysteme elektrisch korrekt an einen geeigneten Audioverstärker möglichst geringer Ausgangsimpedanz angeschlossen sind. Die Quelle, etwa der CD-Spieler oder Schallplattenspieler, der Audioverstärker und der Lautsprecher sowie dessen akustische Anpassung an das Boxengehäuse und an die freie Schallausbreitung haben unterschiedliche Einflüsse auf die Wiedergabequalität. Diese Thematik wird kontrovers diskutiert.
Zu einem Hörerlebnis gehören neben der Aufnahme durch das Ohr auch sensorische Wahrnehmungen der Erschütterungen des Körpers über den Boden oder den tieffrequenten Schall. Sie können nur mit Vollkörpersimulationen erfasst werden. Zudem fließen in das Hörerlebnis in großem Maße individuelle Hörgewohnheiten, Vorlieben, die aktuelle Befindlichkeit des Hörenden und schließlich dessen Gehörzustand in die Beurteilung des Hörerlebnisses mit ein.
Lautsprecherboxen interagieren weiterhin vielfältig mit dem Abhörraum, daher spielt die Raumakustik in Kombination mit dem Lautsprechersystem eine wesentliche Rolle für das Abhörergebnis.
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. Dieser letzte Punkt ist entscheidend für die Unterscheidung von linearen und nicht linearen Fehlern. Mathematisch lässt sich durch die Fourier-Transformation zeigen, dass nur im Falle nichtlinearer Fehler neue Frequenzen im Spektrum entstehen.
Frequenzgang
Lineare Verzerrungen sind etwa Nichtlinearitäten im Amplitudenfrequenzgang, d. h. unterschiedliche Frequenzen werden trotz identischen Eingangssignalpegels vom Lautsprecher unterschiedlich laut wiedergegeben. Je nach Art und Ausprägung dieser Nichtlinearitäten führen diese bei der Wiedergabe zu Klangverfärbungen (zu laute Bässe, zu wenig Mitten usw.). Im Idealfall sollte ein Lautsprecher alle Frequenzen im Hörbereich (20–20000 Hz) gleich laut wiedergeben. In der Praxis sind Abweichungen bis ± 0,5 dB für das menschliche Ohr nicht unterscheidbar, Abweichungen bis etwa ± 2 dB, sofern sie nur schmalbandig sind, gelten hörtechnisch als nicht störend. Je breitbandiger diese Verfärbungen sind, desto eher sind sie hörbar und störend. Anhebungen einzelner Frequenzbänder sind besser hörbar und störender als Absenkungen.
Linearer Frequenzgang wird mit Mehrwege-Lautsprecherboxen oder entsprechend breitbandigen Wandlern erreicht. Hörraum und Boxengeometrie sowie die Lautsprecherdämpfung durch den Verstärker und die Dämmung der Box haben neben dem Lautsprecher großen Einfluss auf den Frequenzgang. Abweichungen der Frequenzgänge (Paarabweichungen) der beteiligten Lautsprecher untereinander führen zu Lokalisationsunschärfen und zu Klangänderungen von bewegten Quellen. Letzteres ist besonders bei Videowiedergabe störend. Das ergibt vor allem bei sogenannten Center-Lautsprechern Probleme, weil diese meistens anders konstruiert und anders aufgestellt sind als die zugehörigen Frontlautsprecher.
Die Empfindlichkeit ist unterschiedlich:
- Fehler vorn sind deutlicher hörbar als hinten.
- Am empfindlichsten ist das menschliche Ohr gegenüber Links-Rechts-Abweichungen. Vorn-Hinten- oder Oben-Unten-Fehler sind für das menschliche Ohr weniger deutlich wahrnehmbar.
Abweichungen im Bereich 250 Hz bis 2 kHz sind ab 0,5 dB feststellbar, maximale Unterschiede von 0,25 dB sind daher anzustreben, jedoch kaum zu erreichen.
Neben den Verfärbungen auf der idealen Abstrahlachse des Lautsprechers (Hörachse) ist für den Höreindruck jedoch auch entscheidend, wie der Schall abseits dieser Achse abgegeben wird, weil sich nicht immer alle Hörer in der Hörachse befinden können. Idealerweise sollte ein Lautsprecher in jede Raumrichtung alle Frequenzen identisch laut wiedergeben, wobei nur der Gesamtpegel abweichen darf (gleichmäßige Schallbündelung). In der Praxis ist diese Bündelung aber insbesondere im Mittel-/Hochtonbereich oft stark abhängig von der Frequenz, was im Heimbereich durch Verstetigung des Abstrahlverhaltens („Constant Directivity“) vermieden werden sollte. Hier sind Kalottenhochtöner vorteilhaft, diese besitzen bei hohen Frequenzen eine wesentlich bessere Rundum-Abstrahlung als Membran- oder Trichter- bzw. Hornlautsprecher.
Im Außenbereich ist man dagegen oft daran interessiert, hohe Frequenzen gerichtet in einen schmalen Raumwinkel abzustrahlen, um deren größere Luftdämpfung bei größeren Entfernungen auszugleichen. Während nahe stehende Hörer dann außerhalb des Haupt-Abstrahlkegels der Hochtonlautsprecher (z. B. Hornlautsprecher) sind, werden entfernt stehende Hörer vom Hauptkegel erreicht und nehmen hohe Frequenzen ausreichend laut wahr. Eine Alternative sind im hinteren Zuhörerraum aufgestellte, gerichtet auf die hinteren Zuhörer abstrahlende zusätzliche Hochton-Lautsprecher. Diese müssen jedoch zeitverzögert angesteuert werden.
Reflexionen bringen im Hallraum sehr große Pegelschwankungen mit sich, die durchaus im Bereich +10 dB … −40 dB liegen können. Besonders bei höheren Frequenzen ergeben sich durch die Überlagerung von Direktschall und den mehrfach Reflexionen äußerst komplizierte räumliche Schallfelder. Bei Wiedergabe eines Sinustons können diese Pegelunterschiede beim Umhergehen deutlich wahrgenommen werden.
Phasengang
Ein Problem sind Interferenzen zwischen den verschiedenen Schallwegen von Mehrweg-Lautsprecherboxen im Bereich der Trennfrequenzen oder mehreren Boxen, die gleiche Frequenzen wiedergeben. Dadurch kommt es zu ortsabhängigen Verstärkungen und Auslöschungen von Frequenzen durch konstruktive und destruktive Interferenz, was letztendlich zu ortsabhängigen Frequenzgangfehlern führt. Man sollte dabei aber beachten, dass es im Hallraum stets zu solchen Erscheinungen kommt, auch wenn nur ein Lautsprecher betrieben wird.
Das menschliche Gehör ist für Phasendrehungen, wie z. B. durch ein Allpassfilter hervorgerufen, recht unempfindlich. Es gibt jedoch Fälle bei denen Phasenunterschiede wahrnehmbar sind, beispielsweise in Situationen, bei denen zwei Töne in die kritische Bandbreite fallen. In diesem Fall können die Sinneszellen des Innenohrs mit ihrer Einweggleichrichterwirkung Unterschiede feststellen. Weit bedeutender als die Phasendrehungen sind jedoch die daraus resultierenden unterschiedlichen Gruppenlaufzeiten. In extremen Fällen werden dadurch Impulse in einzelne Wellikel zerlegt, aus einem Konsonanten wie „t“ wird dann so etwas wie „huii“. Das zeitliche Auflösungsvermögen des Gehörs bezüglich des Eintreffens unterschiedlicher Reize bei verschiedenen Frequenzgruppen ist jedoch sehr beschränkt. Gruppenlaufzeitunterschiede bis zu einigen ms sind daher nicht wahrnehmbar. Das bedeutet, dass mehrere Lautsprecher in einer Box eher weniger, der Abhörraum oder mehrere unterschiedlich entfernt stehende Boxen dagegen entscheidend zu den Verfälschungen beitragen.
Impulstreue
Als Impulstreue wird das Vermögen eines Lautsprechers bezeichnet, bei einem impulsförmigen Signal dessen Zeitverlauf mit möglichst wenigen Ein- und Ausschwingvorgängen zu folgen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um tiefe und mittlere Frequenzen, die entstehen, wenn resonante Komponenten (Partialschwingungen auf der Membran, hart aufgehängte Membran insgesamt, Hohlraumresonanzen in der Lautsprecherbox und im Hörraum) zu Schwingungen angeregt werden.
Soll eine Lautsprechermembran einen Impuls erzeugen, schwingen nicht alle Flächenelemente gleichzeitig.Plötzliche Einschwingvorgänge lösen Bewegungen der Lautsprechermembran aus, die wellenförmig nach außen laufen. Dadurch wird noch Schall abgestrahlt, obwohl der Impuls längst zu Ende ist. Im Regelfall ist der Rand nicht mit dem korrekten Wellenwiderstand abgeschlossen, daher wird die Welle reflektiert und verlängert den Impuls weiter.
Die Impulstreue wird neben der Lautsprecher-Qualität (möglichst weiche Aufhängung einer möglichst steifen Membran, großer Koppelfaktor beziehungsweise Wirkungsgrad) und dessen Montage (Boxengeometrie und gute Dämpfung) wesentlich auch durch die möglichst niederohmige Speisung der Schwingspule bestimmt. Ist der Innenwiderstand des Verstärkerausganges und/oder der ohmsche Widerstand der Lautsprecher-Anschlussleitungen zu hoch, führt der Lautsprecher umso ungedämpfter weitere Schwingungen mit seiner Eigenresonanz aus, die nicht Inhalt des Musiksignals sind. Das Ohr ist jedoch in der Lage, auch wenige einzelne Schwingungen einer gedämpften Schwingung bereits als kurzen Ton zu interpretieren und dessen Tonhöhe zu bestimmen.
Insbesondere Bassreflexboxen liefern schlechte Impulsantworten im Bereich ihrer unteren Grenzfrequenz, da sie auf der Grundlage von Resonanz des Feder-Masse-Systems „Luftvolumen in der Box/Luftmasse im Bassreflexrohr“ funktionieren.
In der realistischen Situation eines normalen Wohnzimmers oder gar eines Raumes mit noch mehr Hall (z. B. leerer Konzertsaal) können die Effekte durch Reflexionen bzw. Hohlraumresonanzen jedoch oft größere und andere Effekte auf die Impulstreue zur Folge haben, als sie durch die Konstruktion des Lautsprechers beziehungsweise der Box verursacht werden. Hier kommen auch Laufzeitunterschiede, verursacht durch Reflexionen auf verschiedenen Wegen oder mehrere, weit entfernt aufgestellte Lautsprecher hinzu, die auch die Impulsantwort bei hohen Frequenzen verfälschen und bis zur Unverständlichkeit von Sprache führen können. Effekte durch Mehrfachreflexionen sind nicht Gegenstand dieses Artikels. Dagegen können Laufzeiteffekte, die aus der Wiedergabe mit mehreren, unterschiedlich weit vom Hörer aufgestellten Lautsprechern herrühren, vermieden werden, indem die Lautsprecher alle in eine Richtung abstrahlen und man sie zeitverzögert entsprechend ihrer Entfernung von der Bühne ansteuert.
Nichtlineare Wiedergabefehler
Nichtlineare Wiedergabefehler sind im Wesentlichen pegelabhängige Fehler. Hauptursache ist die Nichtlinearität des elektromechanischen Motors aus Spule und Magnetsystem. Bei hohen Schallpegeln ist zudem die Schallausbreitung in der Luft nichtlinear, was sich typischerweise bei den Hornlautsprechern für Großbeschallung bemerkbar macht.
Die nichtlinearen Verzerrungen werden üblicherweise als Spektrum angegeben, weil das Gehör die Nichtlinearitäten weitgehend genauso wahrnimmt. Man sagt, die Nichtlinearität "erzeugt zusätzliche Frequenzen" - je nach Art und Stärke der Störung unterschiedliche mit verschiedenen Pegeln.
Klirrfaktor bei 95 dB/100 dB/105 dB eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Subwoofern, Tiefmitteltöner und Hochtöner- Klirrfaktor – Der Klirrfaktor ist die bekannteste und am einfachsten zu messende nichtlineare Verzerrung. Im Hochtonbereich (ab etwa 1 kHz) liegt der Klirrfaktor selbst bei thermischer Grenzbelastung häufig unter 1 %. Der Grund sind die sehr geringen Membranauslenkungen bei hohen Frequenzen. Solche Klirrfaktoren sind z. B. bei Sinustönen noch wahrnehmbar. Die zu Grunde liegende Nichtlinearität macht sich jedoch viel unangenehmer durch Differenztöne bemerkbar. Bei tiefen Frequenzen nimmt die Auslenkung jedoch um Größenordnungen zu und führt zu nichtlinearen Effekten, u. a. aufgrund nichtlinearer Kräfte der Aufhängung oder insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die Tauchspule den Luftspalt teilweise verlässt. Hinzu kommen parasitäre Schwingungen innerhalb der Membran, die ebenfalls zu Oberwellen führen. Im Bild rechts ist dieser Anstieg des Klirrfaktors hin zu niedrigen Frequenzen etwa auf das zehnfache gut zu sehen. Bei sehr tiefen Tönen bleiben Klirrfaktoren bei Musikwiedergabe oft unbemerkt, bei Sinussignalen treten sie jedoch deutlich zutage, da die Oberwellen im Bereich großer Hörempfindlichkeit liegen. Bei professionellen, transportablen Lautsprechern liegen die Klirrkomponenten selbst bei über 100dB Arbeitspegel in 1 Meter Abstand weit unter 1%. Auch kostspielige Produkte für den Endkonsumenten können dagegen bereits bei Zimmerlautstärke an sich schon hörbare Verzerrungen aufweisen. Inwieweit die auditorische Qualität eines Lautsprechers wesentlich von den verschiedenen Nichtlinearitäten abhängt, ist eine offene Frage, siehe unter anderem die Arbeiten von Geddes/Lee.[1]
- Amplituden-Intermodulation – Die gleichen Ursachen, die die harmonischen Verzerrungen hervorrufen, sind wie sich mathematisch leicht ergibt, grundsätzlich auch Anlass für Intermodulation. Beim Lautsprecher wirken viele nichtlineare Teile zusammen. Die direkte Ableitung der Intermodulation aus den harmonischen Verzerrungen ist deshalb kaum möglich. Die Darstellung der Intermodulation ist aus dem gleichen Grund sehr schwierig.
Dagegen wird diese Art der Verzerrung bei geringeren Anteilen als beim Klirr schon als störend empfunden. Professionelle Anlagen erreichen beim üblichen Arbeitspegel unter 1 % Differenz- und Summentonverzerrungen. Stärker kompromissbehaftete Konsumlautsprecher erzeugen je nach Größe und Frequenzbereich bei Arbeitspegel auch mehr als 10%.
- Frequenz-Intermodulation – Weil sich die Membran zur Erzeugung des Schalls bewegen muss, ändert sich ihre Lage relativ zum Übertragungsmedium. Die ständige Lageänderung wirkt auf die Schallwelle wie eine Modulation der Phase. Phasenmodulation ist besser bekannt als Dopplereffekt. Den Dopplereffekt erzeugt die sich bewegende Membran schon bei der Wiedergabe nur eines einzelnen Tones. Leichter verständlich wird er aber, wenn man sich die gleichzeitige Abstrahlung zweier Frequenzen vorstellt. Die erste sorgt dafür, dass sich die Membran bei der Abstrahlung der zweiten bewegt, und daher eine auf den Hörer wechselweise zukommende und weglaufende Schallquelle ist.
- Dynamikkompression – Dynamikkompression tritt auf, wenn der Lautsprecher sich seiner Aussteuerungsgrenze nähert und ist ebenfalls im teilweisen Verlassen des Magnetspaltes durch die Tauchspule oder durch die mechanische Begrenzung der Auslenkung durch die Aufhängung begründet.
Korrekturtechniken
Jeder Schallwandler, also der/die Treiber einschließlich aller Elemente des Gehäuses bzw. der Schallführung (im Grunde auch des Hörraums) ist ein System mit verteilten Parametern. Die klassische Vorstellung eines elektromechanischen Systems mit konzentrierten Parametern (Massen, Federsteifigkeiten, Schwingkreisgüten) vermag nur erste Anhaltspunkte einer Simulation zu geben. Um eine Optimierung mit den im System verteilten Parametern durchzuführen, wurden verschiedene Korrekturtechniken entwickelt. Diese lassen sich grob in Steuerungen und Regelungen differenzieren.
Dämpfung durch geringen Speisewiderstand
Die einfachste und wichtigste Maßnahme ist die exakte Steuerung über die dämpfende Wirkung des Verstärkerausgangs. Aufgrund der Gegenkopplung sind die meisten Leistungsverstärker eine Regelschleife. Sinkt oder steigt der Momentanwert der Ausgangsspannung infolge einer Rückwirkung vom Lautsprecher, führt die Gegenkopplung den Wert auf denjenigen des Steuersignals zurück. Der Verstärkerausgang stellt für den Lautsprecher idealerweise eine Quellimpedanz des Wertes null dar.
Jeder dynamische Lautsprecher ist vereinfacht ein gedämpftes Feder-Masse-System, das eine Grundresonanz und infolge unterschiedlicher Schwingungsmodi der Membran immer auch Partialschwingungen bei höheren Frequenzen aufweist. Infolge der sich in Betrag und Phase ändernden Impedanz be- und entlastet der Lautsprecher den Verstärker im Vergleich zu einem ohmschen Widerstand anders. So wirkt ein schwach bedämpfter Lautsprecher bei der Frequenz seiner Grundresonanz wie ein Elektrischer Generator und erzeugt eine Urspannung, die gegenüber der Speisespannung phasenverschoben ist. Die auf den Verstärker rückwirkende Spannung wird durch den zumeist sehr geringen Innenwiderstand des Verstärkerausgangs mehr oder weniger kurzgeschlossen und die Dämpfung des Lautsprecher steigt. Hieraus folgt, dass Lautsprecher, Lautsprecherkabel und Verstärker nicht nur hinsichtlich ihrer elektrischen Leistung dimensioniert werden müssen, sondern dass die Quellimpedanz des Verstärkers und der Widerstand des Kabels klein gegenüber der Lautsprecherimpedanz sein sollten.
Dämpfung durch aktive Regelung des Zentrums
Bewegung der Membran bei sehr hohen Frequenzen (Mode u03)Bei aktiven Regelschleifen gibt es Anordnungen, die meist die Auslenkung nahe dem Antrieb (Schwingspule) messen. Dafür sind Lautsprecherchassis mit einer Schwing- und einer Messspule entwickelt worden. Mit der in der Messspule induzierten Spannung wird versucht, das Audiosignal geeignet vorzuverzerren, um am Ort der Messspule, also nahe des Zentrums, eine Membranbewegung zu erzeugen, die dem Verlauf des ursprünglichen Audiosignals entspricht. Die Bewegung an anderen Stellen der Membran wird dadurch unkontrolliert beeinflusst.
Dämpfung durch aktive Regelung der Gesamtmembran
Wellenausbreitung nach Impulsanregung der Membranmitte.Es gibt Versuche, mit einer oder mehreren Messspulen näher am Rand der Membran oder metallisierten Membranoberflächen hinter einem Metallgitter und Messung der Kapazitäts- oder Ladungsänderungen zwischen Membranoberfläche und isoliert befestigtem Metallgitter bessere und genauere Korrektursignale zu gewinnen. Diese, einige Zentimeter vom Zentrum entfernten Sensoren liefern wegen der endlichen Geschwindigkeit der Wellenausbreitung in Richtung Rand zeitversetzte Signale, die eine schnelle Regelung unmöglich machen. Eine langsame Regelung im Bassbereich erscheint möglich. Technisch gesehen handelt es sich um eine Regelung mit Totzeit, die immer als problematisch und ungenau gilt.
Eine „Bewegung der Gesamtmembran“ gibt es wegen der Vielzahl an Partialschwingungen nicht und kann deshalb auch nicht „gemessen“ werden. Es bleibt unklar, was genau metallisierte Membranoberflächen hinter einem Metallgitter messen. Es ist physikalisch unmöglich, die Partialschwingungen in ihrer Gesamtheit durch einen geänderten Antrieb der Schwingspule zu unterbinden.
Dämpfung durch Steuerung
Ziel der Membranvorauskorrektur ist, manche Wiedergabefehler des Gesamtsystems zu korrigieren, indem aus dem Eingangssignal und gemessenen Parametern des Systemes ein Korrektursignal erzeugt und an einer geeigneten Stelle mit umgekehrtem Vorzeichen zum eigentlichen Audiosignal addiert wird. Der Lautsprecher wird also mit einem vorverzerrten Signal gespeist.
Auch diese Methode kann nicht beliebig große Fehler kompensieren, also aus einem schlechten schmalbandigen Lautsprecher kein HiFi-System machen, und besitzt Limitationen mathematischer Art.
Dämpfung durch Rückkopplung aus dem Schallfeld
Eine Regelung des Schallfeldes kann das Signal so beeinflussen, dass die linearen Artefakte für einen Ort korrigiert werden. Das führt an benachbarten Orten zu verstärkten Abweichungen. Sensor ist ein Messmikrofon in unmittelbarer Nähe der Hörposition. Raumresonanzen sowie andere spezifische Eigenheiten des Hörraumes werden in Bezug auf die Position des Messmikrofons hinsichtlich Frequenz-Linearität der Wiedergabe weitgehend ausgeglichen. Hierzu wird z. B. das Frequenzverhalten der gesamten Übertragungskette einschließlich des Hörraums mit einem über das hörbare Frequenzspektrum gleitenden Sinus, einem Rauschen oder mit einem oder mehreren steilflankigen Impulsen eingemessen und die Abweichungen werden mit einem elektrisch einstellbaren Equalizer ausgeglichen. Effekte von Resonanzen auf die Impulstreue und von Echos und Laufzeiten auf den Raumeindruck können jedoch nicht vermieden werden.
Es ist nicht möglich, mit Mikrofonen einen Regelkreis inklusive des Verstärkers zu bauen. Dies würde es ermöglichen, analog zur Verstärkertechnik auch die nichtlinearen Artefakte deutlich zu reduzieren. Durch die akustischen Laufzeiten und durch die Phasenverdrehungen im Lautsprecher, im Mikrophon und vor allem durch die Schalllaufzeit zum Mikrofon entsteht ein äußerst instabiler Regelkreis, ganz ähnlich wie man es von der Aufnahmetechnik beim Mikrofon-Rückkopplungspfeifen her kennt.
- Siehe auch: Motional Feedback, ein heute nicht mehr produziertes Lautsprechersystem von Philips
Zusammenfassung
Diskussionen und Aktivitäten zur Verbesserung der Wiedergabe befassen sich häufig nur mit den linearen Artefakten. Unter Limitationen wurde dargelegt, dass bei normalen Abhörsituationen gegenüber diesen Fehlern der Lautsprecher die Effekte durch Interferenzen und Reflexionen im Raum überwiegen, sodass außer in reflexionsarmen Räumen auch gute Boxen keine gute Wiedergabe liefern können - die kammfilterartigen Auslöschungen führen dazu, dass bestimmte Frequenzen, die auf dem Tonträger vorhanden sind, schlecht oder nicht gehört werden können.
Die nichtlinearen Artefakte sind demgegenüber weit irritierender, weil Frequenzen zusätzlich entstehen, die in der Aufnahme nicht enthalten sind. Sie werden maßgeblich durch die Lautsprecher verursacht und nicht wie oft vermutet durch den Verstärker oder andere Übertragungsglieder. Sie sind daher ein wesentliches Qualitätskriterium von Lautsprechern, erklären jedoch nur teilweise deren große Preisunterschiede.
Elektrische Belastbarkeit (Leistungsangaben)
Die Belastbarkeit eines Lautsprechers wird durch zwei Effekte limitiert. Zum einen wird wegen des geringen Wirkungsgrades die meiste Energie in Wärme umgewandelt, und zwar im Antrieb. Dadurch kann der Lautsprecher thermisch zerstört werden. Zum anderen kann der Antrieb oder die Membran durch zu große Auslenkungen mechanisch geschädigt werden. Dies tritt vor allem bei den tiefsten zulässigen Frequenzen auf.
Die Angabe einer Sinusleistung (Leistung bei einer festgelegten Frequenz), wie sie z. B. bei Verstärkern üblich ist, ist für die Ermittlung der thermischen Belastbarkeit bei Lautsprechern nicht angebracht, da unter Umständen auch bei geringer Temperatur durch zu große Auslenkungen die mechanische Zerstörung einsetzt. Außerdem sind übliche Musiksignale im zeitlichen Mittel eher einem um 3 dB/Oktave abfallenden Frequenzgemisch ähnlich; siehe 1/f-Rauschen (rosa Rauschen). Dabei muss man beachten: die zulässige thermische Leistung wird mit einem rosa Rauschen, begrenzt auf den angegebenen Frequenzbereich, gemessen und als Mittelwert PRMS angegeben. Das bedeutet: Ein Hochtöner für den Frequenzbereich 8 kHz bis 16 kHz bekommt von der Maximalrauschleistung durch die Filterung nur ein Hundertstel ab!
Für die mechanische Zerstörung ist dagegen sehr wohl ein Sinussignal relevant. Bei Hoch und Mitteltönern kann man zu große Auslenkungen meistens am drastischen Ansteigen des Klirrens feststellen, für Tieftöner kann man das Erreichen der maximal zulässigen Auslenkung leicht messen. Leider werden diese Daten nie von den Herstellern angegeben, man kann sie jedoch meistens aus anderen Daten berechnen. Typisch geht bei Hoch- und Mitteltönern durch die Frequenzweichen die mechanische Überlastung mit der thermischen einher. Eine Ausnahme sind Horntreiber. Diese sind für kleine Auslenkungen und große akustische Belastung entworfen. Ein Betrieb ohne diese, also unterhalb der Horngrenzfrequenz oder gar ohne Horn, kann zum sofortigen Ausfall trotz noch unkritischer Temperatur führen.
Für einen wirksamen Schutz von Tieftönern ist sowohl der thermische als auch der Auslenkungsgesichtspunkt zu beachten. Hohe Pegel lassen sich nur sinnvoll darstellen, wenn die Schutzvorrichtung auch die Wärmekapazität in Rechnung stellt. So kann z. B. ein Tieftöner durchaus für einige zehn Sekunden mit einer Leistungsaufnahme betrieben werden, die deutlich über der Dauerbelastungsangabe liegt. Die Schwingspule braucht Zeit, um sich aufzuwärmen. Die kleineren Antriebe von Hochtönern haben erheblich geringere Zeitkonstanten und bedürfen umso mehr der Vorsicht.
Lautsprecher können nicht durch leistungsschwache Verstärker vor Überlastung geschützt werden: Bei Übersteuerung (Clipping) erzeugen diese vor allem ungeradzahlige Harmonische, die bei Mehr-Wege-Lautsprechern zur Überlastung des Mittel-/Hochtöners führen können. Es ist sinnvoll, die Verstärkernennleistung (RMS) geringer als die Lautsprecher-Belastbarkeit (RMS) zu wählen, da dann die Wahrscheinlichkeit einer Überlastung zumindest geringer ist.
Aus der Angabe einer zulässigen Spitzenleistung kann man – mit dem in den technischen Angaben aufgeführten Wirkungsgrad – einen maximal erzielbaren Schalldruck errechnen. In der Praxis wird der Schalldruck jedoch oft durch Kompression und Verzerrungen auf einen niedrigeren Wert begrenzt, da die Schwingspule den Bereich des homogenen Magnetfeldes verlässt und die Membraneinspannung mechanische Grenzen setzt. Die Angabe einer Spitzenleistung „PMPO“, wie sie bei Lautsprechern der untersten Preisklasse zu finden ist, folgt keiner geschützten Definition und besitzt keine Aussagekraft.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ist definiert als das Verhältnis von abgegebener Leistung zu zugeführter Leistung und deshalb eine Zahl ohne Einheit. Er wird mit η (gesprochen: Eta) bezeichnet. Sein Wert kann nur zwischen 0 und 1 oder, in Prozent ausgedrückt, zwischen 0 und 100 % schwanken.
Die Wirkungsgrade auch der besonders effizienten elektrodynamischen Lautsprecher sind sehr gering (0,2…5 %, bis 20 % nahe bei den unerwünschten Resonanzstellen); es ist deshalb nicht üblich, sie anzugeben. Die Differenz Pzu - Pab wird über die Zeit integriert und entwickelt Wärme in der Schwingspule. Da diese im engen Spalt des Magneten schlecht gekühlt wird, kann sie leicht überhitzt werden.
Stattdessen wird die Lautsprecher-Effizienz mit dem Kennschalldruckpegel angegeben; es ist der Schalldruckpegel bei einer elektrischen Leistung von 1 Watt, der in 1 Meter Entfernung in einem echoarmen Raum (Freifeld) gemessen wird (in dB/W/m). Die Größe des Schalldruckpegels (dB) ist als logarithmisches Größenverhältnis in dB auf einen Norm-Schalldruckpegel von 20 µPa bezogen.
Grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Kennschalldruckpegel und WirkungsgradDer Wirkungsgrad η kann in den Kennschalldruck umgerechnet werden; es wurde vereinbart:
Wirkungsgrad in Prozent Kennschalldruckpegel 0,05 5 % 99 dB 0,02 2 % 95 dB 0,01 1 % 92 dB 0,005 0,5 % 89 dB 0,002 0,2 % 85 dB - Beispiel
- Ein durchschnittlicher dynamischer Lautsprecher mit z. B. 87 dB/W/m benötigt für einen Pegel von 100 dB in vier Metern Abstand eine elektrische Leistung von etwa 80 W, wogegen ein wirkungsgradstarker Lautsprecher mit 101 dB/W/m mit 3,2 W auskommt.
Die betrachteten Schallwandler zeichnen sich alle durch einen recht geringen energetischen Wirkungsgrad aus. Dieser liegt hauptsächlich in der fehlenden Anpassung zwischen der elektrischen Impedanz der Schallimpedanz. Zwar spielen insbesondere in der HiFi-Technik andere Kenngrößen (Frequenzverhalten, Verzerrungen) eine wesentlichere Rolle, jedoch kommt dem Wirkungsgrad aus mehreren Gründen eine Bedeutung zu: Ein wirkungsgradschwacher Wandler (z. B. ein Magnetostat oder ein dynamischer Lautsprecher mit einem schwachen Magneten) benötigt beträchtliche Verstärkerleistung, die als Wärmeleistung von der Schwingspule abgeführt werden muss, um eine Beschädigung der Spule zu vermeiden. Erforderliche höhere Verstärkerleistung ist u. a. bei batteriebetriebenen Anwendungen nachteilig, verursacht ihrerseits Wärme oder erfordert Verstärker mit hoher Effizienz, die nicht immer auch gute Übertragungseigenschaften besitzen.
- effektive Kopplung des Lautsprechers an die Luft (z. B. Bassreflexprinzip, große Schallwand, großes Volumen bei geschlossenen Boxen, Exponentialtrichter)
Dagegen kann die Effizienzverbesserung durch bessere Luft-Ankopplung unter Umständen auch zu einem verzerrten Frequenzgang führen: Ausgeprägte Eigenresonanzen kleiner Boxen-Volumina oder des Bassreflexweges führen zu einer selektiven Erhöhung der Lautstärke, aber auch zu einer Verschlechterung der Impulstreue.
Große Auslenkungen verursachen u. a. bei dynamischen Lautsprechern auch hohe Intermodulationsverzerrungen. Großer Wirkungsgrad und gute Schallwiedergabe wird daher mit großen Lautsprechern (geringere Auslenkung bei gleichem Schallpegel) erreicht; große Bauformen sind jedoch häufig nicht erwünscht, sie sind teurer oder weisen andere Nachteile auf (z. B. Partialschwingungen der Membran).
Bei der Beschallung z. B. von Bahnhöfen kommt es auf eine gute Sprachverständlichkeit bei großem Pegel an. Oft werden hier Hornlautsprecher oder Druckkammerlautsprecher eingesetzt, die nur den relativ geringen Frequenzumfang der Sprache mit hohem Wirkungsgrad wiedergeben. Deren gerichtete Abstrahlung, insbesondere der hohen Frequenzen (Zischlaute), kann zur Erhöhung der Effizienz, aber auch zur Vermeidung von Laufzeit-Verzerrungen (Reflexionen, mehrere Quellen) genutzt werden, die ansonsten die Sprachverständlichkeit beeinflussen.
Anwendungsbereiche
Lautsprecher haben verschiedene Anwendungsbereiche, sie dienen der Abgabe von Schallwellen mit Musik, Sprache oder Geräuschen bzw. Tönen. Der häufigste Anwendungsbereich ist die Wiedergabe von Tonkonserven sowie das Verstärken von Liveübertragungen (Veranstaltungen, Werbung usw.). Außerdem dienen Lautsprecher auch für Durchsagen (Bahnhöfe, Züge, Flughäfen, Supermärkte usw.) sowie zur Lockung oder Abschreckung (Vergrämung) von Tieren.
Neben den regulären Lautsprechern verfügen auch Mobiltelefone, Kopf- und Ohrhörer sowie Telefonhörer über (verkleinerte) Lautsprecher.
Besonders hohe Ansprüche werden an Studiolautsprecher gestellt, die der Qualitätsüberprüfung von Tonaufnahmen sowie der Abmischung im Tonstudiobereich dienen.
Literatur
- Anselm Goertz: Lautsprecher. In: Stefan Weinzierl (Hrsg.): Handbuch der Audiotechnik. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-34300-4.
- Eberhard Zwicker, Hugo Fastl: Psychoacoustics: Facts and Models. Springer, Berlin 3. A. 2007, ISBN 978-3-540-23159-2.
- Manfred Zollner, Eberhard Zwicker: Elektroakustik. Springer, Berlin 3. A. 1993, ISBN 3-540-56600-7.
- Frank Pieper: Das P.A.-Handbuch. Praktische Einführung in die professionelle Beschallungstechnik. Carstensen, München 3. A. 2005, ISBN 3-910098-32-0.
Quellen
Siehe auch
Weblinks
Wiktionary: Lautsprecher – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Lautsprecher – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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