Lautsprecher

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Beispiele für Schallwandler

Ein Lautsprecher ist ein Gerät, das elektrische Impulse in Schallimpulse umwandelt.

Lautsprecher sind verbreitet in den vielfältigsten Formen, sie finden sich unter anderem in Boxen und in Kopfhörern. Hier wird der Lautsprecher auch als Treiber bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

1 Geschichte des Lautsprechers
2 Antriebsformen
3 Bauformen
4 Fehler bei der Schallreproduktion
5 Elektrische Belastbarkeit (Leistungsangaben)
6 Wirkungsgrad
7 Weblinks

[Bearbeiten] Geschichte des Lautsprechers

Historischer magnetischer Lautsprecher der Firma Celestion aus dem Jahr 1924

Lautsprecher als Kunstobjekt

Bereits am 26. Oktober 1861 stellte der Volksschullehrer Philipp Reis das von ihm erfundene Telefon beim Physikalischen Verein in Frankfurt vor. Es gelang ihm aber nicht, seiner Umwelt die Bedeutung seiner Erfindung zu vermitteln. Als um 1870 Thomas Alva Edison die ersten Experimente mit seinem Phonographen durchführte und Alexander Graham Bell - nach eigenem Bekunden - auf der Erfindung von Reis aufbauend das Telefon zur Marktreife weiterentwickelte, ahnte wohl keiner der Beteiligten, dass die Schallwandler, die sie ganz nebenbei erfunden hatten, Vorläufer eines Bauteils waren, das mehr als ein Jahrhundert später immer noch gut für kontroverse Diskussionen sein sollte und dessen technischer Horizont in der Morgendämmerung des dritten Jahrtausends gerade erst zu erahnen ist.

Die mechanischen Lautsprecher von Thomas Alva Edison und Emile Berliner kamen noch ohne elektrischen Strom aus. Werner von Siemens hat 1878 ein Patent für den noch heute gebräuchlichen elektrodynamischen Lautsprecher erhalten. Diese Konstruktion war schon sehr ausgereift, mit feststehendem (Hufeisen-)Magnet, beweglicher Schwingspule und beweglicher NAWI-Membran. Sein Pech war das Fehlen geeigneter Verstärker. Als Begründer der modernen Lautsprecher gilt in England der an der Universität Birmingham lehrende Physikprofessor Sir Oliver Lodge, der im Jahre 1898 die Gesetze des Elektromagnetismus anwandte, um eine Versuchsanordnung aufzubauen, die durch elektrischen Strom hervorgerufene Laute erzeugt. Für die im heutigen Sinne naturgetreue Wiedergabe von Klängen taugte der primitive elektromagnetische Lautsprecher mit feststehender Spule und beweglichem Eisenkern natürlich noch nicht, aber immerhin war ein Anfang gemacht.

27 Jahre sollte es noch dauern, bis die erste Funkausstellung in Berlin im Jahre 1925 mit dem Blatthaller den ersten elektrodynamischen Lautsprecher präsentierte, eine abenteuerliche Konstruktion von gut einem Meter Länge, die ein feststehendes Magnetsystem und einen beweglichen stromdurchflossenen Leiter besaß. 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 Lautsprecherboxen eingebaut wird. Er besitzt eine bewegliche Schwingspule, die mit einer Konusmembran verbunden ist und sich im Takt des durch sie hindurchfließenden Stroms von dem sie umgebenden Magnetfeld gewissermaßen abstößt. Größtes Problem war in dieser Zeit der äußerst geringe Lautsprecher-Wirkungsgrad (Kennschalldruck), der riesige Hörner zur Schallverstärkung erforderlich machte. Bei der Kinobeschallung, für die diese Hornlautsprecher eingesetzt wurden, waren die enormen Abmessungen aber kein Problem.

Eine andere technische Klippe galt es erst noch zu umschiffen: Dauermagnete mit ausreichender Kraft (magnetischer Induktion bzw. magnetischem Fluss) gab es zu Anfang des 20. Jahrhunderts noch nicht, und deshalb erzeugten damals Elektromagnete das erforderliche Magnetfeld. Der Brite Paul G. A. H. Voigt zählt zu den Pionieren der Lautsprecher mit Permanentmagnet; nachdem er mit seiner 1927 gegründeten Firma Lowther Voigt Ltd. zunächst Schallwandler mit „Energized Magnet“ hergestellt hatte, präsentierte er im Jahr 1936 den ersten Prototypen eines Lautsprechers mit „Permanent Magnet“. Aber erst die Militärforschung des zweiten Weltkriegs erbrachte leistungsfähige Magnetmaterialien aus Legierungen von Metallen der Seltenen Erden, die ab 1945 die Lautsprecher mit Feldspule auf breiter Front verdrängten.

Die Ära des modernen Lautsprechers beginnt mit den Arbeiten des Australiers Albert Neville Thiele und des US-Amerikaners Richard H. Small, die ab 1951 die Wechselwirkungen zwischen dem Lautsprecher und seinem Gehäuse auf eine theoretisch fundierte Grundlage stellten (Thiele-Small-Parameter) und die Voraussetzungen dafür erarbeiteten, dass relativ kleine Lautsprecherboxen heute 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.

Den für die Analyse und Simulation direktstrahlender Lautsprecher wesentlichen Beiträgen von Thiele und Small gingen zahlreiche theoretische Abhandlungen über akustische Elemente voraus, von den vor allem Elements of Acoustical Engineering (1940) von Harry F. Olson zu nennen ist.

Neuere Entwicklungen gehen hin zu einer anderen Generation von Lautsprechern. 1978 gründete Jon Dahlquist mit der Unterstützung von Saul B. Marantz die Firma Dahlquist die erste Lautsprecher ohne Box und Simulation von Flächen aus phasenrichtigem Array von Wandlern präsentierte. Stanley Marquiss - der die Firma ESS gegründet hatte - ging noch weiter und präsentierte den ersten wirklich flachen Lautsprecher zur Aufbringung auf die Wand 1983. Zwei digitale Versionen wurden 1986 von Werner Eymann - auf Basis sinnesphysiologischer Erkenntnisse - mit der Unterstützung von Prof. Manfred Krause realisiert. Weitere Systeme entstanden: Distributed Mode und Sound Projektoren.

[Bearbeiten] Antriebsformen

6,5"-Polypropylen- Chassis mit Aluguß-Korb und Kompensationsmagnet aus Nahfeldmonitor (Genelec 1030)

2,125"-Mitteltonkalotte mit Gewebemembran und kompaktem Neodymantrieb (Hersteller: Morel)

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.

[Bearbeiten] Elektrodynamischer Lautsprecher

Bei elektrodynamischen Lautsprechern wird die Membran durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und einem magnetischen Gleichfeld angetrieben.

Elektrodynamische Lautsprecher nutzen als Kraftquelle die Lorentzkraft aus. Dazu bedarf es eines möglichst konstanten Statorfeldes, meistens durch einen Permanentmagneten gebildet, mit der magnetischen Induktion $\vec B$ und einer Leiterschleife der Länge $\vec l$ , durch die der elektrische Strom $\ I$ fließt (Achtung: l und I nicht verwechseln!)

Dabei entsteht eine Kraft $\vec F$ von

$\vec F = \left(\vec B \times \vec l\right) \cdot \ I$

Um den Betrag der Kraft zu maximieren, müssen die beiden Größen $\vec B$ und $\vec l$ orthogonal (senkrecht) aufeinander stehen und die Stromstärke $\ I$ maximal sein. $\| \vec B \times \vec l \|$ ist eine wichtige Konstante, sie beschreibt das Umsetzungsverhältnis von Strom in Kraft, häufig als $B l$ bezeichnet.

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.

Schema eines dynamischen Lautsprechers (Konus-Bauform, Schnittdarstellung)

Eine stromdurchflossene Spule (Schwingspule, engl. Voice coil) befindet sich im magnetischen Gleichfeld eines Permanentmagneten (oder Elektromagneten) (Magnet). Im Allgemeinen werden Ferrit, Alnico oder Neodymium als Magnetmaterial eingesetzt. Neodymium zeichnet sich durch eine extrem hohe Feldstärke bei kleinen Abmessungen aus, allerdings beträgt die Curietemperatur nur 200 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur wird der Magnet entmagnetisiert und der Lautsprecher unbrauchbar. Schon 100 Grad Celsius verringert das Magnetfeld von Neodymium dauerhaft. Daher ist Neodymium nur begrenzt und nur mit spezieller Kühlung für hochwertige Lautsprecher einsetzbar. 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/Staubkappe (engl. Dust Cap) bezeichnet, obwohl dieser Bereich essentiell für die Wiedergabe am oberen Frequenzende ist). Spule und Membran können sich im Magnetfeld vorzugsweise in der Richtung senkrecht zum Feldverlauf hin- und herbewegen. Eine Zentrierspinne (engl. Spider) 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.

[Bearbeiten] 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(-gehäuse)) bei z.B. Magnepan bzw. Vollbereichsmagnetostaten mit zusätzlichem Subwoofer für die ganz tiefen Frequenzen.

Bändchen-Magnetostaten

Als Membranmaterial findet bei Bändchen meistens Aluminium Anwendung. Es hat (abgesehen von einigen Alkali- und Erdalkali-Metallen) die höchste massespezifische elektrische Leitfähigkeit und weist durch die Bildung einer Oxidschicht einen gewissen Eigenschutz vor Umwelteinflüssen auf. Zusätzliche Beschichtungen können trotzdem sinnvoll sein. Entgegen allgemeiner Meinung kommt es bei Bändchen-Magnetostaten zu signifikanten Partialschwingungen, sobald die Wellenlänge des Schalls in Luft kleiner als der halbe 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 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 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.

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.

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). Daher 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 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.

Folien sind deutlich robuster als Bändchen, an denen schon die Landung einer Stubenfliege Schäden verursachen kann. Allerdings gibt es häufig Probleme mit der Dauerhaftigkeit der Verbindung der Leiterbahnen mit der Folie.

JET-Strahler

Auch Air-Motion-Transformer (AMT)

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

SSSSSS SSS SS S   S SS SSS SSSSSS    geblechte Pole mit akustischen Durchbrüchen
###  +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+  ###
###  o x o x o x o x o x o x  ###    gefaltete Membran mit Alu-Mäander
###--+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +--###
NNNNNN NNN NN N   N NN NNN NNNNNN    Typ Heil AMT

4-Pi-Strahler

Rotationssymmetrisch, vertikaler Schnitt durch die Achse (# Magnetmaterial, N Nordpol, S Südpol, +-+ Membran, ox Leiterbahnen)

          Symmetrieachse
               |
           #########
     #####################
   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, das 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. Ein

SS   NN   SS   NN   SS   NN   SS   NN   SS   NN   SS    Magnet mit akustischen Durchbrüchen
NN-x-SS-o-NN-x-SS-o-NN-x-SS-o-NN-x-SS-o-NN-x-SS-o-NN    Membran mit Alu-Mäander

verringert zwar diese Inhomogenitäten, aber der nun große Abstand zwischen den einzelnen Bahnen führt in der Praxis schon im Präsenzbereich zu starken Partialschwingungen.

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

[Bearbeiten] Elektrostatischer Lautsprecher

Elektrostatische Lautsprecher nutzen nicht die Lorentzkraft ( $F = I \cdot l \times B$ ), sondern die elektrostatische Anziehungskraft ( $F = Q \cdot U/d$ , $Q = C \cdot U \Longrightarrow F = C \cdot U^2/d$ ). 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 einer einzigen Lösung führt:

= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =  feste, mechanisch stabile Gitterelektrode 1
---------------------------------------------  dünne, schwingfähige, elektrisch leitfähige Membran
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =  feste, mechanisch stabile Gitterelektrode 2

Die Ansteuerung erfolgt folgendermaßen: Die beiden Gitterelektroden werden vorgespannt (z.B. mit +2000 V und -2000 V, meistens 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 Magnetostaten ist sie indifferent).

Kraft auf die Elektrode in der Ruhelage:

Vorspannung: $U$
NF-Spannung: $U b$
Abstand zwischen einer GE und Membran: $d$
Spannung zwischen GE1 und Membran: $U 1 = U + U b$
Spannung zwischen GE2 und Membran: $U 2 = U - U b$
Kapazität zwischen einer GE und Membran: $C = \epsilon \cdot A / d$
Kraft zwischen GE1 und Membran: $F_1 = \epsilon \cdot A/d^2 \cdot (U + U_b)^2$
Kraft zwischen GE2 und Membran: $F_2 = \epsilon \cdot A/d^2 \cdot (U - U_b)^2$
Resultierende Kraft auf die Membran: $F = 4 \cdot U \cdot U_b \cdot \epsilon \cdot A/d^2$

Die entstehenden Kräfte sind verglichen mit elektrodynamischen Lautsprechern (in denen bei Vollaussteuerung Werte bis 50 N üblich sind), sehr klein. Werte von $U =$ 2000 V, $U b =$ 1000 V, $d =$ 4 mm, $A =$ 1,5 m $\times$ 0,4 m = 0,6 m² führen zu gerademal $F =$ 2,6 N. Der Kennschalldruck von Elektrostaten (ohne Horn), meistens unrichtig Wirkungsgrad genannt, ist sehr begrenzt.

Trotz Gegentaktansteuerung erzeugen größere Schwingamplituden hörbaren Klirr (die beiden Abstände zu den festen Elektroden sind nicht mehr identisch, damit heben sich quadratische Anteile nicht mehr wie in der Rechnung oben heraus). 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, dh. bei einer Stereoaufstellung entsteht ein sehr schmaler Bereich des optimalen Hörens (auch „Sweetspot“ genannt).

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.

[Bearbeiten] Ferroelektrischer Lautsprecher

Ferroelektrische Lautsprecher 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 (direkt oder über ein Horn) Schallwellen ab.

Ferroelektrische Lautsprecher stellen für den Verstärker eine weitgehend kapazitive Last dar (deswegen wird die Belastbarkeit nicht, wie bei anderen Lautsprechern in Watt, sondern in Volt angegeben), die aus Masse und Elastizität des Ferroelektrikums resultierende Resonanzfrequenz begrenzt den Arbeitsbereich nach unten. Daher haben Ferroelektrische Lautsprecher eine eingebaute 6 dB-Weiche und man kann sie ohne Frequenzweiche betreiben. Zusätzliche Weichen erhöhen aber auch hier die Belastbarkeit.

Typische Ferroelektrische Lautsprecher haben Resonanzfrequenzen im Bereich zwischen 1 und 5 kHz, für Ultraschallanwendungen auch bis 50 kHz. Daher kann diese Lautsprecherart nur für den Mittel-Hochtonbereich (1 kHz $\ldots$ 100 kHz) verwendet werden.

Aufgrund zahlreicher Resonanzmoden von ferroelektrischen Lautsprechern und ihrer geringen inneren Dämpfung, sind diese für Hifi-Anwendungen ungeeignet.

Für die maximale Belastbarkeit gibt es drei begrenzende Faktoren:

Spannungsfestigkeit: Oberhalb einer maximal zulässigen Spannung kommt es zu Durchschlägen des Ferroelektrikums, die zur Zerstörung führen. Bei gängigen piezoelektrischen Lautsprechern beträgt die Belastbarkeit typischerweise um die 25 Volt.
Temperaturerhöhung: Durch dielektrische Verluste kommt es zu Temperaturerhöhungen. Ab einer gewissen Grenzbelastung kommt es zu Strukturschäden im Lautsprecher. Weiterhin sind die Parameter eines Ferroelektrischen Lautsprecher stark temperaturabhängig, je nach Material verliert das Ferroelektrikum zwischen 80°C und 150°C vollständige seine ferroelektrischen Eigenschaften.
mechanische Zerstörung: Eine Polarität der Ansteuerspannung führt zu Zugkräften im Ferroelektrikum, die dieses bei Überschreitung einer Grenzkraft zerstören. Die entgegengesetzte Polarität, die Druckkräfte verursacht, ist meistens um etwa den Faktor 10 belastbarer. Das kann man durch Gegentaktansteuerung ausnutzen. Diese Ansteuerung ist aber aufwendig und daher in der Praxis kaum zu finden, weil Ferroelektrische Lautsprecher eher in Billigsystemen eingesetzt werden.

[Bearbeiten] 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. Ein überlagertes Gleichfeld und das NF-Wechselfeld treibt eine ferromagnetische Membran an.

           ################
          ##################
        oo###xx        xx###oo           Dauermagnet mit Spule
        oo###xx        xx###oo
        ooNNNxx        xxSSSoo
--------------------------------------  ferromagnetische Membran

Die Nachteile dieser Konstruktionen sind:

hoher Klirrfaktor, da die Kraft zum einen abstandsabhängig und zum anderen nicht exakt linear vom Strom abhängig ist.
ungeeignetes, schweres, resonantes Material für Membran bzw. Eisenstab notwendig, was zu blechernem Klang führt.
Auch im Ruhezustand wird eine Kraft ausgeübt, daher muss das schwingende Eisenteil (Membran bzw. Eisenstab) schwer und steif sein, was zu schlechter Tiefton- (hohe Resonanzfrequenz aufgrund hoher Steifigkeit) und Hochtonwiedergabe (hohe Masse) führt.

Dieses Prinzip wird auch bei magnetischen Mikrofonen und elektromagnetischen Kopfhörern (beide veraltet), sowie in Telefon-Sprechmuscheln verwendet.
Das umgekehrte Prinzip wird bei elektromagnetischen (Moving Iron-)Schallplattenabtastern (MI) dagegen noch verwendet .

[Bearbeiten] Plasmahochtöner

Beim Ionenlautsprecher oder Plasmahochtöner (Plasmatweeter, Ionenhochtöner) wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich Luft beim Erwärmen ausdehnt. Dazu wird mit einem Hochspannungsverstärker zwischen einer Messing-Anode und einer Messing-Kathode in einem Glasröhrchen ein leuchtendes Luftplasma erzeugt, dessen Volumen sich im Takt der Musik verändert. Es werden auch Ionen-Hochtöner gebaut, die mit Hochfrequenz arbeiten, die Entladung wird von einer Wolframspitze direkt an die Umgebungsluft abgegeben. Der Ionenhochtöner für sich kommt theoretisch dem idealen Hochtonschallwandler sehr nahe, da seine Membran (Luft) so gut wie massefrei arbeitet und bei ihm auch keine Partialschwingungen (Verbiegungen) auftreten können, die zu den klanglichen Verfärbungen normaler Membranmaterialien führen. Ausgeführt ist der Hochtöner entweder als Rundstrahler (Magnat, entwickelt vom Physiker Dr. Siegfried Klein) oder mit einem Hornvorsatz für einen höheren Schalldruck (Version Corona usw.)

Der Ionenlautsprecher erzeugt keine Vor- und Nachschwinger. Der lineare Frequenzgang ist messbar von 5000 Hz bis 100.000 Hz (weiter gehen die üblichen Meßmikrofone nicht; Schätzungen gehen bis 800.000 Hz). In der Praxis ist es allerdings schwierig, diesen Hochtöner mit derzeit verfügbaren Mittel- und Tieftonsystemen dergestalt zu kombinieren, dass ein homogenes und annähernd natürliches Klangbild entsteht. 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.

[Bearbeiten] Ultraschalllautsprecher

Es gibt zwei Anwendungen für Ultraschalllautsprecher. Zum einen die Abstrahlung von Ultraschall zur Reinigung, Materialbearbeitung oder Datenübertragung. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Ausnutzung von nichtlinearen Effekten zum Erzeugen von hörbarem Schall aus gut bündelbarem Ultraschall.

[Bearbeiten] Mangerwandler

Der Mangerwandler ist benannt nach seinem Erfinder Josef Manger. Er besitzt eine Membran, die im Gegensatz zu anderen Lautsprechern eben nicht besonders steif sein muss, sondern in sich leicht verformbar ist. Die Wellen breiten sich darum auf ihr wie auf einer Wasseroberfläche aus, auf die man zum Beispiel einen Stein geworfen hat. Die Anregung dieser Membran erfolgt durch eine Spule. Durch den von ihr erzeugen, mechanischen Impuls breiten sich Wellen von der Stelle der Anregung in der Mitte konzentrisch zum Rand aus. Nur an der unteren Grenzfrequenz von etwa 120 Hz geht die in sich schwingende Bewegung der Membranoberfläche aufgrund der größer werdenden Wellenlänge langsam in eine kolbenförmige Bewegung über. Der Mangerwandler arbeitet von 120 Hz an aufwärts bis über die obere menschliche Hörgrenze hinaus und ist damit äußerst breitbandig. Sein Impulsverhalten ist exzellent und kommt dem in diesem Bereich empfindlichen menschlichen Hörsinn sehr entgegen.

Elektrodynamischer Lautsprecher für Frontmontage

[Bearbeiten] Bauformen

Neben der durch die Antriebsart bedingten Bauformen unterscheiden sich die die Lautsprecher 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 dies eine optisch ansprechende Ausführung der Membran.

[Bearbeiten] Fehler bei der Schallreproduktion

Rein akustische Wiedergabefehler sind entgegen landläufiger Meinung sehr wohl messbar und deren Auswirkungen auf das Hörerlebnis - soweit es nur den Aspekt der Aufnahme des Schallereignisses durch das menschliche Ohr betrifft - sind abschätzbar. Grundvoraussetzung für befriedigende Hörerlebnisse ist natürlich, dass Lautsprechersysteme in sich elektrisch und mechanisch aufeinander und auf das sie umfassende Gehäuse abgestimmt werden müssen.

Das Hauptproblem ist aber, dass zur Beurteilung eines Hörerlebnisses deutlich mehr sensorische Wahrnehmungen einen maßgeblichen Anteil haben, die erst mit der Möglichkeit von organisch realistischen Vollkörpersimulationen messtechnisch erfasst werden können. Zudem fließen in großem Maße individuelle Hörgewohnheiten, Vorlieben und die aktuelle Befindlichkeit des Abhörenden in die Beurteilung des Hörerlebnisses mit ein.

Lautsprecherboxen interagieren zudem vielfältig mit dem Abhörraum, so dass eine für das abzuhörende Lautsprechersystem angemessene Raumakustik eine Voraussetzung für vergleichbare Abhörergebnisse ist.

[Bearbeiten] 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. Denn mathematisch lässt sich durch die Anwendung einer entsprechenden Operation (der Fouriertransformation) zeigen, dass im Falle nicht linearer Fehler neue Frequenzen im Spektrum entstehen.

Lineare Verzerrungen sind etwa Unlinearitäten im Amplitudenfrequenzgang, d.h. unterschiedliche Frequenzen werden trotz identischen Eingangssignalpegels vom Lautsprecher unterschiedlich laut wiedergegeben. Je nach Art und Ausprägung dieser Unlinearitäten führt dieses 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 unhörbar, Abweichungen bis ca. +-2dB, sofern sie nur schmalbandig sind, als hörtechnisch nicht störend zu bezeichnen. Je breitbandiger diese Verfärbungen sind, desto eher sind sie hörbar/störend, wobei Anhebungen einzelner Frequenzbänder hörbarer/störender sind als Absenkungen.

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.

Hörbare Abweichungen treten im Bereich 250 Hz bis 2 kHz ab 0,5 dB auf, maximale Unterschiede von 0,25 dB sind daher anzustreben.

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 über die Hörraumakustik auch dieser Schall zum Hörer zurückreflektiert wird. 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 oft ebenfalls abhängig von der Frequenz, was zumindest im Mittelhochtonbereich vermieden werden sollte (Constant Directivity, Verstetigung des Abstrahlverhaltens).

Die Verzerrungen des Phasenganges (in Abhängigkeit von der Frequenz) sind hingegen in weiten Grenzen weniger problematisch, da das Gehör für innere Phasendrehungen sehr unempfindlich ist. Lediglich das Gesamtkörperempfinden teilt im Hintergrund mit, „dass da irgendetwas nicht stimmt“. In den meisten Situationen ist die Körperwahrnehmung aber mit anderen, stärkeren Reizen beschäftigt.

[Bearbeiten] 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. Hauptursache ist die Nichtlinearität des elektromechanischen Wandlers. Der Einfluss der nicht als konstant anzunehmenden Dichte der Luft bei hohen Schallpegeln wird bisher nicht beachtet.

Klirrfaktor

Klirrfaktor bei 95 dB/100 dB/105 dB eines passiven 3-Wege-Systems mit 2 Subwoofern, Tiefmitteltöner und Hochtöner

Der Klirrfaktor ist zwar die bekannteste und am einfachsten zu messende nichtlineare Verzerrung, aber in der Praxis die unproblematischste. Im Hochtonbereich (ab ca. 1 kHz) liegt der Klirrfaktor häufig selbst bei thermischer Grenzbelastung unter 1%. Hintergrund sind die sehr geringen Membranauslenkungen bei hohen Frequenzen, die zu tiefen Frequenzen um Größenordnungen zunehmen.

Intermodulation

Hierzu gehört auch die durch den Dopplereffekt hervorgerufene Intermodulation, die bereits im linearen Betrieb des Lautsprechers auftritt. Sobald ein Lautsprecherchassis zwei verschiedene Frequenzen (was der Regelfall sein dürfte) in Schallenergie wandelt, stellt die Membran aus "Sicht" der höheren Frequenz eine sich rhythmisch mit der niedrigeren Frequenz vom Hörer fort- bzw. zu ihm hinbewegende Schallquelle dar.

Dynamikkompression tritt auf, wenn der Lautsprecher in seiner Auslenkung nicht dem eintreffenden Musiksignal folgen kann. Dieser Fall tritt ein, wenn er sich seiner Aussteuerungsgrenze nähert.

[Bearbeiten] 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 die mit dem System verteilter Parameter einhergehenden Optimierungsprobleme „an der Wurzel“ zu fassen, wurden verschiedene Korrekturtechniken entwickelt. Diese lassen sich grob in Steuerungen und Regelungen differenzieren.

Die zweifellos am weitesten verbreitete Korrekturmethode ist die der Steuerung über die dämpfende Wirkung des Verstärkerausgangs. Mittels der Gegenkopplung stellt der Leistungsverstärker i. d. R. bereits selbst eine Regelungsschleife mit einem Soll- Ist-Vergleich dar. Sinkt oder steigt die Ausgangsspannung infolge einer Be- oder Entlastung, führt die Gegenkopplung die Ausgangsspannung auf den Normwert zurück.

Jeder dynamische Lautsprecher stellt vereinfacht einen Masse-Feder-Schwinger dar, der eine Fundamentalresonanz und infolge unterschiedlicher Schwingungsmodi der Membran Teilresonanzen 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. So erzeugt ein schwach bedämpfter Lautsprecher bei der Frequenz seiner Fundamentalresonanz eine Urspannung, die aus seinem elektrodynamischen Funktionsprinzip herrührt. Dies wird durch den zumeist sehr geringen Innenwiderstand des Verstärkerausgangs kurzgeschlossen, der Lautsprecher dh. bedämpft. Hieraus folgt, dass Lautsprecher, Lautsprecherkabel und Verstärker nicht nur hinsichtlich ihrer elektrischen Leistung „zueinander passen“ sollten.

Bei den Regelungsschleifen kommen Anordnungen in Betracht, die entweder die Auslenkung nahe des Antriebes (Schwingspule) messen, die Bewegung der Gesamtmembran messen oder den Schalldruck an einer oder mehreren Positionen im Hörraum messen. Für die erste Lösung sind Lautsprecherchassis mit einer Schwing- und einer Messspule und für die zweite Lösung solche mit z. B. metallisierten Membranoberflächen hinter einem Metallgitter entwickelt worden. Im ersten Fall wird die in die Messspule induzierte, der Schwingspulenbewegung im linearen Auslenkungsbereich proportionale Spannung verglichen. Im zweiten Fall werden Kapazitäts- oder Ladungsänderungen zwischen Membranoberfläche und isoliert befestigtem Metallgitter gemessen.

Die Einbeziehung des Hörraumes erfordert ein oder mehrere Messmikrofone (mit allen an ein solches Instrument zu stellenden Anforderungen) an der/den Hörposition/en. Raumresonanzen, sowie spezifische Eigenheiten des Hörraumes werden in Bezug auf die Position des Messmikrofons und auf die Linearität des Frequenzverhaltens 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 gemessen und die Abweichungen mit einem elektrisch einstellbaren Equalizer ausgeglichen.

siehe Motional Feedback, ein heute nicht mehr produziertes Lautsprechersystem von Philips

[Bearbeiten] Elektrische Belastbarkeit (Leistungsangaben)

Lautsprecher sind thermisch nur gering belastbar: Eine Verbesserung der Kühlung durch Vergrößerung des Luftspalts verringert den Wirkungsgrad - man dreht sich im Kreis. Die Anbringung der Schwingspule auf einem Kupfer- oder Aluminiumkühlkörper wird bei Breitbandlautsprechern angewendet. Die dadurch verringerte Spuleninduktivität linearisiert den Frequenzgang, jedoch wird die bewegte Masse vergrößert, was zu Klangverfälschungen führt.

Bei elektrodynamischen Lautsprechertreibern können bei längerem Betrieb Temperaturen von über 200 Grad Celsius entstehen. Eine Überlastung führt im Extremfall zu einem „Durchbrennen“ der Schwingspule, wobei meistens erst die Isolierung verglüht und zu einem Kurzschluss führt und/oder der Schwingspulendraht schmilzt. Bei elektrodynamischen Lautsprechern kommt es allerdings meistens zu einem Erweichen des Klebstoffes und damit einem Verschieben des Spulendrahtes auf dem Spulenträger, wobei der Treiber unbrauchbar wird.

Die Angabe einer Effektivleistung bei einer festgelegten Frequenz, wie es bei anderen elektrischen Geräten üblich ist, ist bei Lautsprechern wenig hilfreich, da ein (natürliches) Musiksignal im zeitlichen Mittel ein um 3dB/Oktave abfallendes Frequenzgemisch ist (siehe 1/f-Rauschen). Die zulässige thermische Leistung wird daher 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 und einer Maximalleistung von 100 Watt hat 1/100tel der thermischen Belastbarkeit eines Basslautsprechers 80 - 160 Hz/ 100W.

Gewarnt werden muss vor dem Irrglauben, man könne Lautsprecher durch leistungsschwache Verstärker vor Überlastung schützen: Bei Übersteuerung (Clipping) erzeugen diese Klirrprodukte vor allem im höheren Frequenzbereich, die bei Mehr-Wege-Lautsprechern häufig zur Zerstörung des Hochtöners auch hoch belastbarer Boxen führen.

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.

[Bearbeiten] Wirkungsgrad

Die betrachteten Schallwandler zeichnen sich alle durch einen recht geringen Wirkungsgrad aus. Zwar spielen insbesondere in der HiFi-Technik andere Kenngrößen (Frequenzverhalten, Verzerrungen) eine wesentlichere Rolle, jedoch kommt dem Wirkungsgrad aus mehreren Gründen eine nicht nebensächliche Bedeutung zu. Bei Beschallungsanlagen (public adress) bedarf dieser Gedanke keiner Illustration.

Ein wirkungsgradschwacher Wandler (z. B. Magnetostaten) benötigt für ein dem Original im Pegel zumindest ähnlichen Erlebnis im normal großen Hörraum beträchtliche Verstärkerleistungen, die möglicherweise aus anderen Aspekten günstige Verstärkerdesigns (z. B. Class-A) ausscheiden lassen. Aufwändig erzeugte Verstärkerleistung muss als Wärmeleistung vom Wandler hinweggeführt werden, um eine Beschädigung des Antriebs zu vermeiden. Ggf. bewirkt eine große Auslenkung (z. B. eines dynamischen Lautsprechers) hohe Intermodulationsverzerrungen. Vor allem bei Beschallungssystemen großer Flächen oder Räume, wie z. B. Bahnhöfe, kommt es auf eine ausgezeichnete Sprachverständlichkeit bei extrem hohen Störpegeln an. Die Sprachverständlichkeit dynamischer Lautsprecher ist wegen der wirkungsgradbedingten hohen Intermodulationen schlechter als bei wirkungsgradstarken Hornlautsprechern.

Im Allgemeinen wird der Lautsprecherwirkungsgrad in dB/W/m bzw. als elektrische Leistung oder Spannung, die zur Erreichung eines Normpegels erforderlich ist, angegeben. In beiden Kenngrößen ist die logarithmische Größe dB enthalten. Ein durchschnittlicher dynamischer Lautsprecher mit z. B. 87 dB/W/m benötigt also für einen Pegel von 100 dB in vier Metern Abstand eine elektrische Leistung von etwa 80 W, wogegen ein wirkungsgradstarker Lautsprecher (z. B. 101 dB/W/m) mit bescheidenen 3 W auskommt. Für extrem laute 120 dB benötigte der durchschnittliche Lautsprecher bereits knapp 8 kW, sein effektiverer Widerpart etwas mehr als 300 W!