Lautsprecher

Lautsprecher sind Schallwandler, die ein elektrisches Eingangssignal in mechanische Schwingungen, als Schall wahrnehmbar, umwandeln.

Sie dienen meist der Wiedergabe von Sprache und Musik mit einem typischen Arbeitsbereich bei Frequenzen von 20Hz bis 20kHz, also dem Hörbereich des Menschen. Spezielle Bauformen erzeugen mithilfe des inversen Piezoeffektes Sonar-Signale unter Wasser oder Ultraschall (Entfernungsmessgeräten, Abstandswarnern, frühere Fernbedienungen).

Die Größe variiert zwischen sehr kleinen Formen, die beispielsweise bei In-Ear-Kopfhörern zum Einsatz kommen, bis hin zu mehrere Meter hohen Säulen für die Beschallung von Großkonzerten.

Begriffe

Das Wort „Lautsprecher“ wird allgemeinsprachlich auch für Lautsprecherboxen verwendet; fachsprachlich (und auch in diesem Artikel) wird darunter jedoch nur der eigentliche Schallwandler verstanden, also die kleinste funktionierende Einheit zur Schallerzeugung.

Alternative Ausdrücke für diese Einheit sind Treiber und Chassis, wobei es auch hier jeweils abweichende Verwendungen gibt: Ein „Chassis“ ist im engeren Sinn nur der nicht bewegliche Teil des Lautsprechers. Bei Hornlautsprechern schließt „Treiber“ das eigentliche Horn nicht mit ein.

Lautsprecher, die direkt auf den Ohren sitzen, werden als Kopfhörer bezeichnet.

Geschichte

Die Entwicklung des Lautsprechers ist direkt mit der Erfindung des Telefons verknüpft und begann 1860 mit der ersten öffentlichen Vorführung eines Fernsprechapparates durch Antonio Meucci. Ein Jahr später präsentierte Philipp Reis sein Telefon, das später von Alexander Graham Bell weiterentwickelt wurde.

Nach dem von Thomas Alva Edison 1877 zum Patent angemeldeten Phonographen stellte Emil Berliner 1887 sein Grammophon vor. Dessen markanter Schalltrichter war jedoch insofern noch kein Lautsprecher im Sinne eines „Wandlers“, als er lediglich die mechanischen Schwingungen der Nadel durch ein akustisches Horn abstrahlt.

Werner von Siemens erhielt bereits 1878 das Patent für einen elektrodynamischen Lautsprecher; sein Pech war aber das Fehlen geeigneter Verstärker. Als Begründer der modernen Lautsprecher gilt der Engländer Sir Oliver Lodge. Bei der Berliner Funkausstellung wurde 1925 der erste elektrodynamisch angetriebene Lautsprecher öffentlich vorgestellt. Im gleichen Jahr hatten Edward Kellog und Chester Rice von der amerikanischen Firma Western Electric den dynamischen Tauchspulenlautsprecher entwickelt, wie er im Prinzip bis heute in den meisten schallabstrahlenden Systemen zum Einsatz kommt.

Der maßgeblich an der Entwicklung von Magnetsystemen beteiligte Paul G. A. H. Voigt gründete 1933 in Sydenham, London, seine Firma Voigt Patents Ltd., in der er Kino-Lautsprecher, Moving-Coil-Tonabnehmer und ein Eckhorn entwickelte. Nach dem Zweiten Weltkrieg standen neue Magnetmaterialien zur Verfügung und er entwickelte einen Lautsprecher mit einem magnetischen Fluss von 2,3 Tesla im Luftspalt. Die damals mit O. P. Lowther gegründete Lowther Manufacturing Co. fertigt bis heute Breitbandsysteme.

Neben kontinuierlicher Optimierung der verwendeten Magnete und Materialien ermöglichte es später vor allem die Erfassung der einzelnen physikalischen Größen, den klassischen Lautsprecher gezielt zu verbessern – speziell unter Berücksichtigung seiner Wechselwirkungen mit dem jeweiligen Gehäuse. Zugleich wurden neue Formen entwickelt, elektrische Impulse in Schall umzuwandeln, bis hin zur Schwingungsanregung von Luftplasma.

Funktionsprinzip

Allgemeines

Ein Lautsprecher besteht in den meisten Fällen aus drei Komponentengruppen: der Antriebseinheit, der Membran sowie deren verbindenden Elementen. Beim Standardmodell des sogenannten Tauchspulenlautsprechers wird die Membran von einer mittig angebrachten Schwingspule in Bewegung versetzt; zum Antrieb gehört neben der Spule ein Magnet, in dessen Feld sie schwingt. Ein Korb verbindet den Magneten mit einer Sicke sowie einer Zentrierspinne, welche ihrerseits die Membran führen.

Abhängig vom Einsatzzweck bestimmen unter anderem die benötigte Lautstärke, der Frequenzumfang, das Platzangebot und die erwünschte Signaltreue, wie der Wandler jeweils konstruiert wird: Lautsprecher für Durchsagen am Flughafen müssen ganz anderen Anforderungen entsprechen als Kopfhörer oder etwa Ultraschallreiniger.

Bei HiFi-Lautsprecherboxen werden meist mehrere frequenzspezifisch optimierte und über Lautsprecherweichen selektiv angesteuerte Wandler eingesetzt, um das gesamte Hörspektrum abzudecken. Lautsprecher lassen sich in ihrem unteren Arbeitsbereich durch ihre Thiele-Small-Parameter beschreiben, wodurch das komplexe Zusammenspiel ihrer Bauelemente rechnerisch fassbar wird.

Membran

Je nach Bauart und Frequenz bewegt sich die Membran kolben- oder wellenförmig. Während zum Beispiel Biegewellenwandler den Verformungseffekt nutzen, stellen Partialschwingungen bei den meisten Lautsprechern unerwünschte Störkomponenten dar.

Zur Erhöhung ihrer Steifigkeit kann man zentral angetriebene Membranen trichterförmig bauen (was den üblichen Konuslautsprechern ihr Aussehen verleiht) und ein möglichst stabiles Material wählen. Harte Werkstoffe wie Aluminium oder Keramik weisen jedoch ausgeprägte Eigenresonanzen auf, während Kunststoffe wie Polypropylen zwar über eine gute innere Dämpfung verfügen, aber bei Präzision und Wirkungsgrad schwächeln. Heute werden die unterschiedlichsten Mischungen und Schichtungen eingesetzt; Papier – schon seit Jahrzehnten für Lautsprechermembranen verwendet – liefert dabei nach wie vor beste Ergebnisse. High-End Lautsprecher der Marke Wolf von Langa, oder kurz WVL, verwenden ausschließlich Papiermembranen.

Zur Umgehung von Partialschwingungen kann man die Membran auch möglichst weitflächig antreiben. Diesem Prinzip folgen beispielsweise Magnetostaten, bei denen sich die Schwingspule – folienmäßig aufgetragen – über die gesamte Membranfläche verteilt; deren Material darf dann entsprechend dünn (sprich: leicht und somit impulsschnell) sein. In ihrer Auslenkung sind solche Flächen jedoch durch die umgebenden Magnetstäbe limitiert.

Je tiefer der Ton, also je niedriger die Frequenz, desto mehr Luft muss eine Membran für die gleiche Lautstärke verschieben. Dieses Volumen ergibt sich aus Gesamtfläche und Auslenkungsvermögen. Größere Membranen sind zwar schwerer und träger; außerdem nimmt die Schallbündelung zu, aber sie benötigen kleinere Auslenkungen für die gleiche Lautstärke. Größere Auslenkung wiederum bewirkt eine höhere mechanische Belastung und erhöht die Partialschwingungen.

Antrieb

Die Parameter des Antriebs hängen sowohl von der Größe der Schwingspule ab (Durchmesser und Wicklungshöhe) als auch von der Stärke des Magnetfeldes. Maßgeblich sind zudem der Spulen-Innenwiderstand (abhängig von der Leitfähigkeit ihres Materials), die Distanz zwischen Spule und Magnet sowie eventuelle Verluste durch Wirbelströme (abhängig von der – unerwünschten – Leitfähigkeit des Spulenträgers). Ausformungen und Materialien definieren die Qualität der Antriebsmagnete und folgend die Wiedergabequalität.

Bei Piezolautsprechern entfallen Spule und Magnet: Das Signal wird an eine Scheibe aus piezoelektrischem Material angelegt, die direkt mit der Membran verbunden ist. Elektrostaten wiederum arbeiten mit einem hochtransformierten Signal, das über Statoren auf eine unter konstanter Spannung stehende Folienmembran wirkt; beim Plasmalautsprecher wird ein ionisiertes Gas mit einem Hochspannungsfeld in Schwingungen versetzt.

Grundlagentheorie

Im unteren Arbeitsbereich um die Resonanzfrequenz lassen sich Lautsprecher, die als getriebenes Masse-Feder-System arbeiten, durch die Thiele-Small-Parameter beschreiben.

Ähnlich wie elektrischer Strom, der durch die elektrische Stromstärke und die elektrische Spannung beschrieben werden kann, gibt es bei Schallwellen die Schallschnelle und den Schall(wechsel)druck. Schallschnelle beschreibt die Geschwindigkeit, mit der die Luftmoleküle durch den Schall bewegt werden, Schalldruck den dabei entstehenden Druck. Schallabstrahlung einer Membran an die sie umgebende Luft ist auf Grund der geringen Schallimpedanz von Luft eine sehr ineffiziente Sache, die bei tiefen Frequenzen auf 0 abfällt, bei höheren Frequenzen steigt sie mit einigen Überschwingern bis auf einen von Form und Größe der Membran vorgegebenen Grenzwert an. 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 mit den Strukturelementen von Räumen. Dies verändert unter anderem den Strahlungswiderstand. Man kann sich den Strahlungswiderstand als zusammengefasste Rückwirkung des Strahlungsfeldes auf den Strahler vorstellen.

Bei Direktstrahlern, die nur aus Membranen bestehen, 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 schmal- 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.

Quelle

Wikipedia, freie Enzyklopädie, https://creativecommons.org/licenses/, Stand 18.12.2021, Ergänzungen Wolf von Langa, Dezember 2021.

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