3. Elektroakustische Komponenten Im diesem Kapitel werden wir die verschiedenen elektroakustischen Wandler wie Mikrofone und Lautsprecher näher kennenlernen. Ausserdem wird eine Klassifikation der Verstärker vorgenommen. 3.1 Mikrofone Mikrofone wandeln Schallwellen in elektrische Signale um. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Mikrofontypen auf dem Markt, eines ist aber allen gemeinsam: Sie verfügen über eine Membran, welche durch die Schallwellen in Bewegung versetzt wird. Diese Bewegung wiederum wird durch unterschiedliche physikalische Effekte in eine Spannung/einen Strom umgewandelt, welche einem Verstärker zugeführt wird. Mikrofone sind das erste Glied in jeder elektroakustischen Übertragungskette, gleichgültig ob analog oder digital. Obwohl gerade in der digitalen Audiotechnik viele Möglichkeiten der Audiobearbeitung existieren, die eine gewisse Korrektur schlechter Aufnahmen ermöglichen, ist es unerlässlich, Mängel durch schlechte Mikrofone und unsachgemässe Handhabung zu vermeiden. Es gibt auch kein „Universalmikrofon“, welches für jeden Anwendungszweck geeignet ist. Jede Bauweise hat ihre spezifischen Eigenschaften und Anwendungen. Dabei ist die Richtcharakteristik eine ganz wesentliche Eigenschaft eines Mikrophones. Die Mikrofone werden hier nach der Art und Weise eingeteilt, wie sie das Schallsignal in ein elektrisches Signal umwandeln. 3.1.1 Dynamische Mikrophone Bei dynamischen Mikrofonen macht man sich die Tatsache zunutze, dass in einem bewegten Leiter in einem Magnetfeld eine Spannung induziert wird. Dabei ist die induzierte Spannung proportional zur Geschwindigkeit des Leiters und hängt nicht von der momentanen Lage, der Auslenkung oder Elongation, ab. 3.1.1.1 Tauchspulenmikrofon Bild 3.1: Prinzip des dynamischen Mikrofons. Quelle: Wikipedia, 800px-Tauchspulenmikrofon.svg.png, Autor Banco. Bild A3.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Tauchspulenmikrofons. Die Membran ist mit einer Spule verbunden, welche sich im Magnetfeld eines Permanentmagneten befindet. Dies ist – im Gegensatz zur Zeichnung – das Feld im Luftspalt eines Topfmagneten. Dort ist die Bewegung des Spule senkrecht zu den Feldlinien, so dass gilt: Uind B * l * v Wobei l die Länge des Drahtes der Spule ist. 3-1 Die im Bild skizzierte Mikrofonkapsel ist auf der Rückseite abgeschlossen. Dadurch kann der Schall nur von vorne auf die Membran einwirken und man erhält, wie bei allen Druckmikrophonen, eine Kugelcharakteristik. Wäre die Mikrofonkapsel offen, so hätte man eine Druckgradientenmikrofon. Diese Kugelcharakteristik gilt aber nur für tiefe Frequenzen, bei höheren Frequenzen (Schallwellenlänge größer als die doppelte Mikrofonabmessung) findet man eine eher nierenförmige Richtcharakteristik. Durch den sogenannten Druckstaueffekt, hervorgerufen durch die Überlagerung der Originalschallwelle und der von der Membran reflektierten Schallwelle, findet man für höhere Frequenzen eine Anhebung der Signalspannung um den Faktor 2, also 6 dB. Dies ist vor allem bei senkrechtem Auftreffen der Schallwellen auf die Membran bemerkbar. Je weiter seitlich sich die Schallquelle von der Membran befindet, desto geringer wird dieser Effekt. Bild 3.2: Richtcharakteristik: Kugel. Quelle: Wikipedia, kap03x02_600px-Polar_pattern_omnidirectional.svg.png, Autor Galak76. Diese Mikrofone haben eine Impedanz im Bereich von einigen hundert Ohm und werden am besten mit einer Abschlussimpedanz (Eingangsimpedanz des angeschlossenen Verstärkers) von einigen Kiloohm betrieben. Sie sind sehr robust aufgebaut und können auch hohe Schalldrücke verarbeiten. Bedingt durch die relativ große Masse der Tauchspule ist ihr Impulsverhalten jedoch schlecht und die obere Grenzfrequenz ist niedrig. Bild 3.3: Mikrofon D 7 LTD von AKG. Quelle: AKG Bild 3.3 zeigt ein Tauchspulmikrofon von AKG, das D 7 LTD. Es ist ein Druckgradientenempfänger mit Supernierencharakteristik. Seine Impedanz ist kleiner als 600 und AKG empfiehlt einen Eingangswiderstand von mindestens 2k. Der Frequenzgang und die Richtcharakteristik sind im Bild 3.4 dargestellt. 3-2 Bild 3.4: Frequenzgang und Richtcharakteristik des D 7 LTD. Quelle: AKG Einen „Standard“ stellt das Shure SM 58 Gesangsmikrofon dar. Es hat einen Übertragungsbereich von 50 Hz bis 15 kHz, eine Ausgangsimpedanz von 300 und eine Leerlaufempfindlichkeit von 1.88 mV/Pa. 3.1.1.2 Bändchenmikrofon Beim Bändchenmikrofon schwingt ein zickzackförmig gefaltetes Metallbändchen (meist Aluminium) von einigen Zentimetern Länge und zwei bis vier Millimetern Breite im Magnetfeld eines Dauermagneten (Bild 3.5). Bild 3.5: Prinzipieller Aufbau eines Bändchenmikrofons Quelle: Wikipedia, 800px-Bändchenmikrofon.svg.png, Autor Arne Nordmann Sobald Schallwellen das Bändchen in Bewegung versetzen, wird im Bändchen eine Spannung induziert. Diese Spannung ist sehr klein und der Innenwiderstand mit etwa 0.1 ausserordentlich gering. Deshalb ist dem Mikrofon noch ein Übertrager nachgeschaltet, der die Ausgangsimpedanz auf einen Wert von etwa 200 herauftransformiert. Entsprechend wird auch die Ausgangsspannung des Mikrofones hochtransformiert. Da die Masse der Membran sehr klein ist, kann sie auch steilen Impulsen gut folgen, die Impulstreue des Bändchenmikrofons ist deshalb sehr gut. Ebenfalls verfügt dieser Mikrofontyp bis zur hohen Grenzfrequenz über einen linearen Frequenzgang. Laut Musikerwiki hat (das Mikrofon) einen "Vintage-Sound", klingt warm, in den Mitten sehr dicht, ohne betonte Höhen. 3-3 Zwei Modelle sind das Beyerdynamic M130 und M160, das M130 zeigt Bild 3.6. Bild 3.6: Das Mikrofon Beyerdynamic M130. Quelle: Boré, Peus: Mikrofone Mikrofone, bei denen der Schall die Membran sowohl von der Vorderseite als auch von der Rückseite erreicht, sind Druckgradientenempfänger. Sie besitzen die Richtcharakteristik einer Acht. Bild 3.7: Richtcharakteristik einer Acht Quelle: Wikipedia, 600px-Polar_pattern_figure_eight.svg.png, Autor Galak76. Sehr viele Mikrophone haben jedoch andere Richtcharakteristiken: Man unterscheidet zwischen „Breiter Niere“, „Niere“ (Cardioid), Superniere und Hyperniere. Man erreicht diese Charakteristiken durch die Überlagerung von Kugelcharakteristik und Acht mit Hilfe konstruktiver Maßnahmen. Spezielle Richtmikrofone haben die Charakteristik einer „Keule“. Weiterhin ist die jeweilige Richtcharakteristik frequenzabhängig. Dies liegt daran, dass die Abmessungen der Mikrofone und deren Einzelteile bei hohen Frequenzen in die Größenordnung der Wellenlänge kommen. 3-4 Bild 3.8: Nierencharakteristik für verschiedene Frequenzen. Quelle: Wikipedia, 600px-Polar_pattern_freq_resonse.png, Autor Galak76. 3.1.2 Kondensatormikrofone 3.1.2.1 Kondensatormikrofon Der prinzipielle Aufbau eines Kondensatormikrofones ist in Bild 3.9 dargestellt. Der „Kondensator“ besteht aus einer hauchdünnen elektrisch leitenden Membran, die Bruchteile von Millimetern vor einer Gegenelektrode gespannt ist. Diese Elektrodenanordnung ist vergleichbar mit einem Plattenkondensator. Treffen nun Schallwellen auf diese Membran, so ändert sich der Abstand Membran/Gegenelektrode und damit die Kapazität des Kondensators. Durch eine Gleichspannungsquelle ist der Kondensator auf eine Spannung in der Größenordnung von etwa 50 bis 100 Volt aufgeladen. Ändert sich die Kapazität, so fließen Lade- und Entladeströme und erzeugen am Widerstand einen Spannungsabfall. Diese Wechselspannung ist das Signal. Bild 3.9: Aufbau eines Kondensatormikrofones Dieses Signal ist sehr hochohmig und kann nicht über Kabel übertragen werden, da deren Eigenkapazität die Signalspannungen kurzschließen würden. Deshalb haben alle Kondensatormikrofone einen eingebauten Verstärker und Impedanzwandler. Kondensatormikrofone benötigen für die Vorspannung des Kondensators und den eingebauten Verstärker eine externe Stromversorgung. Diese Stromversorgung kann über spezielle Kabel oder über eine Phantomspeisung geschehen. 3-5 Bild 2.10: Spannungsversorgung über eine Phantomspeisung (48 Volt-Standard) Die positive Betriebsspannung wird dem Mikrofon über die Anschlüsse 2 und 3 zugeführt. Die Masse 1 bildet die Rückleitung. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus ist die Gleichspannung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 gleich Null, die Wechselspannung zwischen 2 und 3 hingegen ist die Signalspannung. Diese wird über den Übertrager gleichspannungsfrei auf einen angeschlossenen Verstärker übertragen. Als verstärkende/impedanzwandelnde Elemente kommen heutzutage fast ausschließlich Feldeffekttransistoren in Frage. Doch auch Röhren sind wegen ihres Klanges wieder gefragt. Bild 3.11 zeigt das Röhrenmikrofon C12VR von AKG, einer Neuauflage des C12, welches wegen der großen Nachfrage (mit Verbesserungen) erneut ins Produktionsprogramm aufgenommen wurde. Es ist ein Druckgradienten-Doppelmembran-Mikrofon. Bild 3.11: Das Röhrenmikrofon C12VR von AKG. Quelle: AKG Das Schaltbild des Röhrenverstärkers ist im Bild 3.12 dargestellt. Die Röhre ist eine Doppeltriode 6072. Die Mikrofonkapsel verfügt über drei Elektroden, von denen zwei eine externe Vorspannung erhalten (0 – 120 Volt). Je nach Vorspannung, welche am externen Netzgerät einstellbar ist, hat das Mikrofon eine Richtcharakteristik von Kugel, Niere, Acht sowie sechs Zwischenstufen. Die linke Röhrenhälfte dient als Impedanzwandler/Vorverstärker, die rechte Röhrenhälfte kann auf Wunsch dazu geschaltet werden, um die Ausgangsspannung zu erhöhen. Mit einem Umschalter können die Bässe um 10dB bzw. 20dB abgeschwächt werden. 3-6 Bild 3.12: Schaltbild des im C12VR eingebauten Verstärkers Bild 3.13: Frequenzgang und Richtcharakteristik des C12VR 3-7 3.1.2.2 Elektret-Kondensatormikrofon Elektrete sind nichtleitende Materialien, in denen permanent Ladungen gespeichert oder in denen elektrische Dipole permanent ausgerichtet sind. Dadurch entsteht ein permanentes elektrisches Feld in ihrem Inneren und ihrer unmittelbaren Umgebung. In gewissem Sinne kann man sie mit Dauermagneten vergleichen, bei denen ja auch ein permanentes magnetisches Feld vorhanden ist, ohne dass ein Strom fließen müsste. Nur handelt es sich bei dem Feld der Elektrete um ein elektrostatisches und kein magnetisches Feld. Den Sachverhalt, dass in der Umgebung von Elektreten ein elektrostatisches Feld vorhanden ist, macht man sich bei Elektret-Kondensatormikrofonen zunutze. Da Elektrete früher recht instabil waren und deshalb nicht den besten Ruf haben, wird in Datenblättern von Mikrofonen vielfach der Begriff „Kondensatorwandler mit Permanentladung“ benutzt. Das kommt aber auf das gleiche heraus. Das Elektret-Kondensatormikrofon ist ein Kondensatormikrofon ohne Vorspannung für die Membran. Auf der Gegenelektrode ist eine Elektretfolie aufgebracht, welche durch Influenz eine Ladung auf der Membran erzeugt. Auch hier haben wir wieder einen Kondensator vorliegen, dessen Kapazität sich beim Auftreffen von Schallwellen ändert und bei dem Auf- und Entladeströme fließen. Genau wie bei den „richtigen“ Kondensatormikrofonen ist das Signal aber sehr hochohmig und muss über einen eingebauten Feldeffekttransistor einer Impedanzwandlung unterzogen werden. Der Impedanzwandler benötigt auch hier eine externe Spannungsversorgung. Da wir es hier mit Halbleitern zu tun haben, reichen jedoch Betriebsspannungen von etwa 5 Volt völlig aus, so dass solche Mikrofone beispielsweise auch von Soundkarten mit Spannung versorgt werden können. Man findet sowohl zweipolige Mikrofonkapseln, die in Source-Schaltung betrieben werden und somit direkt mit der Soundkarte verbunden werden können als auch dreipolige Kapsel in Drainschaltung. Bild 3.14 zeigt drei Mikrofonkapseln in Elektret-Technologie. Bild 2.14: Drei Elektret-Mikrofonkapseln. Quelle: Wikipedia, Electret_condenser_microphone_capsules.jpg, Autor Omegatron Elektretmikrofone weisen heutzutage einen Marktanteil von etwa 90 Prozent auf und man findet sie in vor allem in Geräten zur Sprachkommunikation wie Handys, Headsets und auch Hörgeräten. Auch Digitalkameras und Tonaufnahmegeräte sind mit diesen Typen ausgestattet. Hochwertige Mikrofone haben einen Frequenzbereich von 20 Hz bis zu 20 kHz. Man findet sie auch im professionellen Bereich als Ansteckmikrofone bzw. Lavalier-Mikrofone. Bei großen Signalamplituden neigen Elektret-Mikrofone jedoch zu nichtlinearen Verzerrungen. Aufgrund der kleinen Abmessungen der Mikrofonkapsel (1 mm bis 1 cm) benutzt man Elektret-Mikrofone auch in Messeinrichtungen, da sie das zu messende Schallfeld kaum beeinflussen. 3-8 3.1.3 Richtmikrofone Hier soll nur das Richtrohrmikrofon besprochen werden. Ein Druckgradientenmikrofon wird durch ein vorgebautes Interferenzrohr ergänzt (Bild 3.15). Bild 3.15: Richtrohrmikrofon AT8015a. Quelle: Wikipedia, Shotgun_microphone.jpg, Autoren PJ und Pico. Das Interferenzrohr ist mit seitlichen Schlitzen oder Bohrungen versehen und bewirkt eine keulenförmige Richtcharakteristik ab etwa 1 bis 2 kHz. Dabei spielt die Länge des Rohres eine Rolle. Unterhalb der Grenzfrequenz findet man die Richtcharakteristik der Mikrofonkapsel. 3.2 Tonabnehmer für Plattenspieler Gelegentlich besteht der Bedarf, Schallplatten zu digitalisieren und die so gewonnenen Aufnahmen zu bearbeiten. Dabei greift man dann auch möglicherweise auf einen vorhandenen Plattenspieler zurück. Beim Abspielen von Schallplatten werden die mechanischen Schwingungen der Schallplattenrille von einem Diamanten aufgenommen und auf einen Umsetzer übertragen, der aus den mechanischen Schwingungen elektrische Signale macht. Das ganze System bezeichnet man als Tonabnehmer und man kann, für unsere Zwecke hinreichend genau, grundsätzlich zwei unterschiedliche Arten unterscheiden: Den Kristalltonabnehmer und magnetische Tonabnehmer. Dazu muss man noch wissen, dass vor dem Pressen der Schallplatte die Audiodaten so bearbeitet werden, dass eine starke Höhenanhebung stattfindet. Man presst die Schallplatten so, dass Auslenkung der Schallplattenrille bei gleicher Amplitude konstant ist, unabhängig von der Frequenz. Hört man diese Aufnahmen an, so klingen diese sehr schrill. 3.2.1 Kristalltonabnehmer Kristalltonabnehmer sind die ältesten Varianten der modernen Tonabnehmer und liefern eine hohe Signalspannung, welche jedoch hochohmig ist. Das Prinzip der Umsetzung beruht auf dem piezelektrischen Effekt, bei dem die mechanische Beanspruchung bestimmter Kristalle zu einer Spannung an den Flächen dieser Kristalle führt. Früher setzte man als Kristall Seignettesalz ein, heute findet man vor allem Bariumtitanat oder Bariumzirkonat Die gelieferte Spannung ist von der Auslenkung der Schallplattenrille abhängig und nicht von der Schnelle. Solche Systeme sind sehr preiswert herzustellen und man findet Kristalltonabnehmer vor allem bei einfachen Plattenspielern. Aufgrund ihres Funktionsprinzipes werden die hohen Töne bei der Wiedergabe der Schallplatte abgesenkt, so dass sich die Aufnahme wieder normal anhört. Schneidkennlinie und Wiedergabecharakteristik kompensieren einander. 3.2.2 Magnetische Tonabnehmer Magnetische Tonabnehmer sind qualitativ hochwertiger als Kristalltonabnehmer und man findet sie in Plattenspielern der gehobenen Preisklasse. Bei magnetischen Tonabnehmern kann man noch die Subtypen „Moving Coil“, „MC“ und „Moving Magnet“, „MM“ unterscheiden. Diese Unterscheidungen sind aber hier bedeutungslos. Wichtig für uns ist hier, dass die Ausgangsspannung dieser 3-9 Tonabnehmer proportional zur Schnelle der Schallplattenrille ist und nicht proportional zu deren Auslenkung. Das bedeutet, dass die Wiedergabe einer Schallplattenaufnahme sich schrill anhört, da die Höhen sehr stark betont sind. Ausserdem ist die Ausgangsspannung eines magnetischen Tonabnehmers sehr klein, in der Größenordnung von einigen Millivolt. Deshalb benötigt man zur Schallplattenwiedergabe einen sogenannten Entzerrervorverstärker. Dieser erfüllt zwei Aufgaben: 1. Verstärkung des Signales 2. Absenkung der Höhen Deshalb reicht es nicht, einen Plattenspieler mit einem magnetischen Tonabnehmer an den Mikrofoneingang der Soundkarte anzuschliessen, da die starke Betonung der Höhen immer noch vorhanden ist. Man kann die so gewonnene Audiodatei zwar entsprechend tiefpassfiltern und eine „normale“ Wiedergabe erreichen. Die tiefen Töne werden beim Digitalisieren jedoch benachteiligt. Dies führt dazu, dass bei diesen Tönen die Wortbreite des Analog/Digitalwandlers nicht ausgenutzt wird und man später nach der Filterung ein Rauschen hören kann. 3.3 Tonabnehmer für Musikinstrumente Auch hier kann man mindestens zwei Typen unterscheiden: Die elektromagnetischen Tonabnehmer und die Körperschallmikrofone. Da die Instrumente auch Schall aus der Umgebung aufnehmen und an den Tonabnehmer weitergeben, besteht hier die Gefahr der akustischen Rückkopplung. Gelegentlich word dies aber auch als stilistisches Element eingesetzt. 3.3.1 Elektromagnetische Tonabnehmer Sie bestehen im Prinzip aus einem Dauermagneten, um den eine Spule gewickelt ist und funktionieren nur, wenn die schwingenden Saiten aus einem magnetischen Material wie Stahl oder Nickel bestehen. Der Dauermagnet erzeugt in seiner Umgebung ein Magnetfeld, in dem die Saiten schwingen und dabei dieses Feld verändern. Dadurch wird eine Spannung in der Spule induziert, die dann an einen Verstärker weitergegeben wird. Es gibt zwei Bauformen von elektromagnetischen Tonabnehmern, „Single Coil“ und „Humbucker“. Bild 3.16: Drei Tonabnehmer an einer Elektrogitarre. Links ein Humbucker, Mitte und rechts zwei Single Coils. Quelle: Wikipedia, Pickups_Humb_2Single.jpg, Autor Feitscherg Die Single Coil-Tonabnehmer bestehen wirklich nur aus einer Spule, die auf einen Dauermagneten aufgebracht ist, der Humbucker besitzt zwei Spulen. Der Klang von Single Coil-Tonabnhmern ist klarer und obertonreicher, der von Humbuckern hingegen weicher mit einer Betonung der Bässe. Bedingt 3-10 durch den Aufbau mit zwei Spulen kompensieren Humbucker aber von aussen kommende elektromagnetische Störungen wie beispielsweise Netzbrummen( to hum=brummen). 3.3.2 Körperschallmikrofone Körperschallmikrofone können überall dort eingesetzt werden, wo der Korpus des Musikinstrumentes mitschwingt. Deshalb kann man sie auch bei Musikinstrumenten mit Darm- oder Nylonsaiten einsetzen. Es gibt Elektret-Kondensatormikrofone und piezoelektrische Tonabnehmer. Auch piezoelektrische Tonabnehmer benötigen ähnlich wie die Kondensatormikrophone einen Vorverstärker. Sie sind zwar nicht so hochohmig wie die Mikrofonkapseln von Kondensatormikrofonen, aber doch hochohmig genug, dass bei längeren Verbindungskabeln aufgrund der Kabelkapazität eine Absenkung der hohen Töne stattfindet. Bei Körperschallmikrofonen ist es wichtig, wo am Instrument das Mikrofon angebracht wird. Die Stelle sollte so ausgesucht werden, dass der aufgenomme Klang typisch für das Instrument ist. 3.4 Lautsprecher Während ein Mikrofon Schallsignale in elektrische Signale umwandelt, erzeugt ein Lautsprecher aus diesen (verstärkten) elektrischen Signalen wiederum Schall. Dies geschieht in den meisten Fällen dadurch, dass durch die elektrischen Signale eine Membran in Bewegung gesetzt wird. Wir werden uns hier ausschließlich mit dem elektrodynamischen Lautsprecher beschäftigen. Die Kraft, welche diese Membran bewegt, ist die Lorentzkraft. Schickt man einen Strom I durch einen Leiter L, der sich in einem Magnetfeld B befindet, so wird auf diesen Leiter eine Kraft ausgeübt. Diese Kraft entspricht dem Kreuzprodukt aus dem Magnetfeld B und der Richtung des Leiters/Stromes. F B xL *I Die Kraft steht dabei sowohl senkrecht auf B als auch auf L. Weiterhin muss man beachten, dass der Klang, den man wahrnimmt, nicht nur vom Lautsprecher selbst abhängt, sondern auch von der Box, in der der Lautsprecher eingebaut ist und auch vom Raum, in dem er sich befindet. Viele der Effekte (Reflektion, Hall, Absorption usw.) findet man jedoch auch bei anderen Schallquellen, so dass das menschlische Ohr diese Effekte gewohnt ist und überhört. 3-11 3.4.1 Elektrodynamischer Lautsprecher Den Aufbau eines elektrodynamischen Lautsprechers kann man den Bildern 3.17 und 3.18 entnehmen. Sie zeigen einmal einen Querschnitt durch einen Lautsprecher und eine Draufsicht. Bild 3.17: Prinzipieller Aufbau eines elektrodynamischen Lautsprechers. Quelle: Wikipedia, 280px-Lautsprecher_Schema.svg.png, Autor Algos. Bild 3.18: Aufschnitt eines elektrodynamischen Lautsprechers. Quelle: Wikipedia, 280px-Lautsprecher_Schema_front.svg.png, Autor Algos. Der eigentliche Antrieb ist die Schwingspule. Sie ist auf einen röhrenförmigen Träger gewickelt, der sich im Luftspalt eines starken Permanentmagneten befindet. Benutzt man ein Zylinderkoordinatensystem, so hat das Magnetfeld eine radiale Ausrichtung und der Verlauf des Leiters ersteckt sich entlang der -Koordinate. Die Kraft wirkt dann in z-Richtung, im Bild 3.17 also entweder nach oben oder nach unten. Als Material für den Permanentmagneten kommen Ferrite (nichtleitende keramische Werkstoffe, aus Eisenoxid und anderen Metalloxiden), Alnico (leitende Legierungen aus den Metallen aus Eisen, Aluminium, Nickel, Kupfer und Kobalt) oder Neodym in Frage. Allerdings ist die Curietemperatur von Neodym mit etwa 200 °C recht niedrig,so dass die Gefahr besteht, das der Lautsprechermagnet im Betrieb seine Magnetisierung dauerhaft verliert. Bedingt durch den sehr niedrigen Wirkungsgrad von Lautsprechern kann die notwendige elektrische Leistung sehr hoch sein, und diese wird hauptsächlich im Draht der Schwingspule in Wärme verwandelt. Am Schwingspulenträger ist die Membran befestigt, die durch ihre Bewegung den Schall erzeugt. Diese Membran besteht aus zwei Bereichen: Dem Konus und der Kalotte. Die Kalotte (mathematisch der Abschnitt einer Kugel) bezeichnet man auch als Staubschutzkappe, sie hat jedoch auch wesentlichen Einfluss auf die Abstrahlung hoher Töne. Zur Halterung und Führung des Systems Schwingspule/Membran dienen die Spinne und die Sicke. Diese sind am Lautsprecherkorb befestigt. 3-12 Ein Lautsprecher, der nicht eingebaut ist, kann nur Töne wiedergeben, deren Wellenlänge in der Größenordnung des Membrandurchmessers und kleiner ist. Wenn sich beispielsweise die Membran im Bild 3.17 nach oben bewegt, so entsteht oberhalb der Membran ein Überdruck, unterhalb jedoch ein Unterdruck. Bei niedrigen Frequenzen können sich diese Drücke ausgleichen, es liegt ein „akustischer Kurzschluss“ vor. Abhilfe schafft der Einbau des Lautsprechers in einen schalldichten Kasten mit einer Öfffnung, damit die Membran den Schall ungehindert nach vorne abstrahlen kann. Die gegenphasige Komponente hinter der Membran wird durch schallschluckende Materialien im Kasten absorbiert. Ein einziger Lautsprecher kann nicht alle Frequenzen von 20 Hz bis 20 kHz gleich gut wiedergeben. Das liegt einerseits an mechanischen Resonanzen und andererseits daran, dass die Membran zu Partialschwingungen neigt, wie im Kapitel 2 dargestellt. Deshalb gibt es Zwei-Wege-Systeme und DreiWege-Systeme. Beim Drei-Wege-System hat man drei Lautsprecher: Basslautsprecher, Mitteltöner und Hochtonlautsprecher. Das elektrische Signal wird über Filter, die Frequenzweiche, in drei Frequenzbereiche getrennt und die gefilterte Spannung dem entsprechenden Lautsprecher zugeführt. Weiterhin kann man nach aktiven und passiven Systemen unterscheiden: Bei aktiven System wird das (leistungsschwache) Eingangssignal gefiltert und dann drei Verstärkern zugeführt, von denen jeder einen Lautsprecher speist. Bei passiven Systemen hat man einen Verstärker und filtert dessen (leistungsstarkes) Ausgangssignal, bevor es zu den Lautsprechern geht. Es gibt zwei Möglichkeiten, einen Lautsprecher zu zerstören: Eine thermische und eine mechanische. Bei der thermischen Möglichkeit führt man dem Lautsprecher eine zu hohe Spannung zu, so dass die Schwingspule überhitzt und zerstört wird. Selbst wenn der subjektive Eindruck vorhanden ist, dass die Lautstärke nicht zu hoch ist, kann es dem Hochtöner an der Kragen gehen: Bei einem normalen Audiosignal ist der Anteil der hohen Töne recht gering. Deshalb ist der Hochtonlautsprecher einer Lautsprecherbox auch nicht für hohe Leistungen ausgelegt. Selbst wenn man nun die Verstärkung auf Maximum einstellt, ist die im Hochtöner umgesetzte Leistung gering. Verzerrt nun ein Signal, beispielsweise durch Übersteuerung, so entstehen durch die Verzerrungen hochfrequente Obertöne. Diese, normalerweise nicht vorhandenen, Obertöne belasten den Hochtonlautsprecher jetzt zusätzlich, was zu seinem Ausfall führen kann. Der mechanischen Variante der Zerstörung fallen meistens die Basslautsprecher zum Opfer: Eine zu hohe Impulsbelastung führt zu einer zu hohen Auslenkung und damit zu einer Zerstörung von Membran und ihrer Befestigungen oder der Schwingspule. 3.5 Kopfhörer Kopfhörer kann man in oder an den Ohren getragen. Hier werden nur die sogenannten „Muschelkopfhörer“ besprochen, welche an den Ohren getragen werden. Dazu gibt es grundsätzlich zwei Bauformen: Die offenen (supra-aural) und die geschlossenen (circumaural) Kopfhörer. Die Schallwandler der Kopfhörer sind zumeist dynamisch, entsprechen also im Funktionsprinzip dem elektrodynamischen Lautsprecher. Kopfhörer lassen sich mit geringem Aufwand in hoher Qualität herstellen. Bereits mit sehr geringer elektrischer Leistung (etwa 1 mW) kann eine Schalldruck von 94dB (entspricht 1Pa) am Ohr erzeugt werden. Hohe Lautstärken werden ohne Verzerrungen wiedergegeben, was einem hohen Dynamikbereich bei der Wiedergabe entspricht. Ausserdem ist das Hörerlebnis bei Kopfhörerwiedergabe besonders intensiv. Das Hörer mit dem Kopfhörer hat aber auch Nachteile: Die Höreindrücke bei Kopfhörer- und Lautsprecherwiedergabe sind sehr unterschiedlich. Dazu ein Beispiel: Sitzt man vor den Lautsprecherboxen einer Stereoanlage und hört ein Monosignal, so ortet man die Schallquelle als von vorne kommend, zwischen den Lautsprechern befindlich. Bei Kopfhörerwiedergabe ortet man die Schallquelle als im Kopf befindlich. In den Rundfunkanstalten arbeitete man oft mit der Intensitätsstereofonie. Dabei wird der Links/Rechts-Eindruck einer Schallquelle nur durch Pegelunterschiede, aber nicht durch Laufzeitunterschiede hervorgerufen. (Man baut dazu zwei Mikrofone mit unterschiedlicher Ausrichtung am gleichen Ort auf. Der Vorteil der Intensitätsstereofonie ist, dass solche Aufnahmen auch gut über Monogeräte wiedergegeben werden können) Hört man solche Aufnahmen über Kopfhörer, ortet man die Instrumente direkt links und rechts vom Ohr. 3-13 Beim offenen Kopfhörer liegen die Schallwandler auf den Ohren auf. Alternativ hat man noch „Ohrkissen“, das sind Zwischenlagen aus Schaumstoff, die akustisch durchlässig sind, zwischen Wandler und Ohr. Diese Kissen erzeugen einen definierten Abstand zwischen Wandler und Ohr. Die Rückseiten der Schallwandlerelemente sind durchbrochen, um einen Druckausgleich zwischen Muschel und Umgebung zu gewährleisten. Schall von aussen wird erst ab etwa 5 kHz schwach (5dB) bedämpft, bei tiefen Frequenzen kann Fremdschall sogar noch verstärkt werden. Mit Hilfe einer Ummantelung aus weichem Kunststoff oder Leder wird beim geschlossenen Kopfhörer das Ohr von der Aussenwelt abgeschlossen und Umgebungsgeräusche stark bedämpft. Nach längerem Tragen können solche Kopfhörer aber unbequem werden, da sich ein Wärmestau entwickeln kann und ein Druckausgleich zwischen Umgebung und Ohr nicht stattfindet. Allerdings ist das mechanische Druckgefühl auf den Ohren nicht so stark wie bei offenen Kopfhörern, da der Anpressdruck zum Festhalten des Kopfhörers auf den Knochen wirkt. Beim geschlossenen Kopfhörer sind die Bässe stärker betont als beim offenen, was zu konstruktiven Massnahmen bei den offenen Systems zwingt. 3.6 Verstärker Verstärker sind elektronische Komponenten, welche schwache elektrische Signale verstärken. Hier werden nur die Verstärker besprochen, die im Audiobereich Verwendung finden. Dies sind im Wesentlichen Vorverstärker und Endverstärker, wobei bei vielen Geräten im Heimbereich beide Verstärkertypen in einem Gehäuse als Vollverstärker vereint sind. Ein Vorverstärker hebt schwache Signalpegel auf einen Wert an, den Endverstärker zur Vollaussteuerung benötigen oder den Analog/Digitalwandler zur Ausnutzung ihrer vollen Wortbreite brauchen. Die Aufgabe eines Endverstärkers ist es, genügend Leistung zu erzeugen, um Lautsprecher betreiben zu können. Verstärker sind analoge Baugruppen. Eine Ausnahme bietet der D-Verstärker, der in einem der nächsten Kapitel besprochen wird. 3.6.1 Vorverstärker Ein Vorverstärker verstärkt, wie bereits erwähnt, schwache Signalpegel auf einen Wert von einigen Volt. Viele Signalquellen, wie beispielsweise CD-Spieler, liefern bereits einen so hohen Ausgangspegel, dass eine Verstärkung nicht mehr notwendig ist. Eine Verstärkung braucht man nur bei Signalquellen, welche eine geringe Ausgangsspannung liefern, wie beispielsweise Mikrofone, magnetische Tonabnehmer und Pick-Ups von Gitarren. Weiterhin findet man möglicherweise eine Lautstärkeeinstellung und eine Klangregelung. Eine weitere, sehr wichtige Funktion ist die Impedanzwandlung. (Siehe auch den Abschnitt Kondensatormikrophone.) Ein solcher Impedanzwandler hat eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz. Sein Verstärkungsfaktor ist vielfach nur gleich 1, es findet also keine Spannungsverstärkung statt. Man benötigt ihm dann, wenn die Signalquelle eine hohe Innenimpedanz (im einfachsten Fall einen hohen Innenwiderstand) hat. Schließt man eine Signalquelle mit dem Innenwiderstand Ri an einen Verbraucher (Verstärker, Audiokarte etc.) mit dem Eingangswiderstand Re an, so entsteht ein Spannungsteiler (Bild 3.19, allerdings ohne Kabel und Kabelkapazität) und die Spannung am Verbraucher berechnet sich zu uin uL * Re Ri R e Dabei ist ul die Leerlaufspannung der Signalquelle und uin die Spannung am Eingang des Verbrauchers. Ist nun der Innenwiderstand Ri der Signalquelle bedeutend größer als der Eingangswiderstand des Verbrauchers, so geht der Bruch im obigen Ausdruck gegen Null, die Spannung uin wird sehr klein, sie „bricht zusammen“. Da kann man nun den Impedanzwandler 3-14 zwischenschalten: Er besitzt eine sehr hohe Eingangsimpedanz (Re sehr groß), so dass der Bruch etwa den Wert 1 hat und die Spannung uin etwa gleich ul ist. Das Ausgangssignal dieses Impedanzwandlers ist niederohmig und kann dann dem Verbraucher ohne Spannungsverlust zugeführt werden. Wenn man von der Klangregelung einmal absieht, sollte der Frequenzgang eines Vorverstärkers linear sein, das heißt, er sollte alle Frequenzen gleich gut verstärken. Eine Ausnahme ist der bereits erwähnte Entzerrervorverstärker für magnetische Tonabnehmer: Hier werden bewußt die hohen Töne abgeschwächt, um die Schneidkennlinie der Schallplatte zu korrigieren. Heutige Vorverstärker sind technisch so weit ausgereift, dass selbst preiswerte Produkte den Klang nicht mehr negativ beeinflussen. 3.6.2 Endverstärker Ein Endverstärker verstärkt elektrische Signale so weit, dass man damit einen Lautsprecher betrieben kann. Dabei kann die Ausgangspannung – entsprechende Ausgangsleistung vorausgesetzt – sehr hoch sein. Man kann die Formel P U2ef f R nach Ueff umstellen und erhält dann Uef f P * R Nimmet man als Verstärkerleistung P einmal 100 Watt an und als Lautsprecherimpedanz 8, so erhält man eine Spannung Ueff von 28.28 Volt. Dies ist der Effektivwert der Spannung. Sinusförmige Signale vorausgesetzt, ist der Spitzenwert (die Amplitude) der Spannung gleich dem 1.414-fachen Effektivwert: Umax 2 * Uef f 40 Volt Die Spannung am Lautsprecher wechselt daher sinusförmig zwischen +40 Volt und -40 Volt. Die Ausgangsimpedanz von Endverstärkern ist sehr niedrig, sie liegt bei unter 0.1. Zur notwendiger Ausgangsleistung gebe ich eine Stelle aus dem Internet wieder, die eigentlich alles besagt: „Wieviel Watt braucht der Mensch? Eine oft gestellte Frage. Die Antwort wird nicht jedem gefallen, denn trotz der allgemein üblichen Watteritis wird der, der keinen schalldichten Bunker besitzt, in dem man im Dauerversuch den Beton auf Rißbildung bei hohen Schalldrücken untersuchen kann, bei Lautsprechern mit einigermaßen akzeptablem Wirkungsgrad mit ein- bis maximal niedrigen zweistelligen Wattzahlen locker auskommen. Dies ist viel weniger, als der kleinste käufliche Verstärker bietet. Eine vor vielen Jahren bei mir zu Hause durchgeführte Messung ergab, daß lediglich 3 (in Worten: drei!) lächerliche Watt erforderlich waren, damit die Fensterscheiben bei bestimmten Frequenzen eifrig mitklirrten, die Schrankwand heftig mitvibrierte, und die Zimmertür im Takt der Musik sich unter klackenden Geräuschen im Schloß bewegte! Um noch eine reale Messung zu bemühen: Bei nach meinem Geschmack "Zimmerlaustärke", bei der man sich schon nicht mehr gut unterhalten kann, liefert der Verstärker schlappe 0,005 W, also 5 mW (5 tausendstel Watt) pro Kanal.“ Quelle: http://www.elektronikinfo.de/audio/verstaerker.htm, Autor Chr. Caspari, eine im Übrigen sehr empfehlenswerte Seite. 3-15 Man sollte bei der Angabe der Ausgangsleistung auch auf deren Definition achten, da hier sehr viel Schindluder getrieben wird. In den 60er Jahren wurde in der DIN-Norm 45500 der Begriff High Fidelity definiert. 1996 wurde sie durch die EN 61305 ersetzt. Hier sind Grenzwerte nicht mehr angegeben, da diese mit der heutigen Technik ohnehin unter- bzw. überschritten werden. Zitat Wikipedia: Bei der sogenannten RMS-Leistung muss eine Endstufe oder ein Lautsprecher ein breitbandiges Testsignal aus rosa Rauschen von 10 Minuten Dauer ohne Schäden und bei Einhaltung der EN 61305 überstehen. Dieses Signal ist mit Musiksignalen bedingt vergleichbar und ermöglicht daher eine Aussage über die elektrische Belastbarkeit des Lautsprechers (und des Verstärkers, Hinzufügung Ludemann). Eventuell kann man noch die Musikleistung beachten. Diese ist höher als die RMS-Leistung und kommt wie folgt zustande: Meistens sind die Netzteile von Endverstärkern nicht stabilisiert. Entnimmt man dem Verstärker eine hohe Leistung, so verringert sich die interne Versorgungsspannung. Dauert die Entnahme jedoch nur kurz (Impulse, kurze Fortissimo-Stellen in Musikstücken), so liefern die eingebauten Kondensatoren noch für eine kurze Zeit die notwendige Versorgungsspannung, um diesen Impuls verzerrungsfrei zu übertragen. Es existiert jedoch keine Vorschrift für die Messung der Musikleistung. Noch fiktiver sind Angaben mit dem Zusatz „PMPO“. Sie sind reine Marketingwerte ohne irgendeine technische Relevanz. Ich selber habe vor Jahren Zusatzlautsprecher für den PC erworben, die eine PMPO von 2 x 20 Watt versprachen. Das zugehörige Netzteil hatte jedoch nur eine Ausgangsleistung von 4 Watt. Noch eine Anmerkung zum Zusammenspiel Endstufe und Lautsprecher. Die Endstufe wirkt wie eine Spannungsquelle mit sehr niedrigem Innenwiderstand. Eine ideale Lautsprechermembran würde nun in ihrer Auslenkung der Spannung der Endstufe exakt folgen. Dies geschieht jedoch in der Realität nicht. Es entstehen Verzerrungen durch Partialschwingungen und andere Einflüsse. Die SollAuslenkung ist also nicht gleich der Ist-Auslenkung. Subtrahiert man nun die beiden Auslenkungen voneinander, so erhält man eine Fehlerauslenkung. Diese sollte natürlich so gering wie möglich sein. Nun muss man wissen, dass ein Lautsprecher auch wie ein Mikrofon funktioniert: Bewegt man die Membran, so wird in der Spule eine Spannung induziert. Wendet man diese Erkenntnis auf die Fehlerauslenkung an, so stellt man fest, dass die Fehlerauslenkung in der Spule eine Spannung induziert. Für diese Spannung wirkt der Verstärker wie eine Spannungsquelle von 0 Volt und einem Innenwiderstand, der dem Ausgangswiderstand von wenigen Milliohm entspricht. Es fließt also aufgrund der Fehlerauslenkung ein Strom durch den Verstärker, der diese Auslenkung abbremst und verringert. Aufgrund dieser Rückwirkung wird die Fehlerauslenkung also verringert. Diese Ausführungen gilt hauptsächlich für Basslautsprecher. Hier gibt es aber auch Grenzen: Die in der Frequenzweiche vorhandene Drossel hat einen Drahtwiderstand, der wesentlich größer als der Innenwiderstand des Verstärkers ist. Und dieser Drahtwiderstand zusammen mit dem Drahtwiderstand der Spule bestimmt die Stärke des bremsenden Fehlerstromes. 3-16 3.7 Kabel Vor allem im High-End-Bereich von HiFi-Anlagen wird viel mit unsinnigen und der Physik widersprechenden Begriffen um sich geworfen, dies soll hier jedoch nicht das Thema sein. Dazu liefert die Seite http://www.elektronikinfo.de/audio/audiokabel.htm genug Informationen, die zudem noch kurzweilig präsentiert werden. Ich beschränke mich hier auf ein Einfluss der Kabelkapazität, wie sie im Bild 3.19 dargestellt ist. Bild 3.19: System aus Signalquelle, Übertragungskabel und Verbraucher Eine Signalquelle (Mikrofon, Pick-Up, Impedanzwandler etc.) mit der Leerlaufspannung uL und dem Innenwiderstand Ri wird über ein abgeschirmtes Kabel an einen Verbraucher (Verstärker, Audiokarte etc.) angeschlossen. Eine ähnliche Situation wurde im letzten Abschnitt schon bei der Impedanzwandlung angesprochen, nur fehlte dort das Kabel. Wir können das Kabel hier guten Gewissens als Kondensator CK betrachten, alle anderen Werte des Kabels (Drahtwiderstand, Ableitwiderstand, Längsinduktivität und Wellenwiderstand) spielen im Audiobereich keine Rolle. Für handelsübliche Kabel kann man mit einer Kabelkapazität von 50pf/m bis 200pF/m rechnen. Ein Kabel, welches 5 Meter lang ist, hätte also eine Kapazität von 250pF bis 1 nF. Ausserdem haben die Steckverbindungen, hier durch kleine Kreise angedeutet, auch noch eine Kapazität, die man aber ohne Weiteres der Kabelkapazität zuschlagen kann. Ein Kondensator leitet Ströme umso besser, je höher ihre Frequenz ist. Die Kabelkapazität C K stellt also einen Nebenschluss für den Widerstand Re dar. Je höher die Signalfrequenz ist, umso mehr Strom fließt durch den Kondensator und umso geringer wird die Spannung uin. Diese Spannung uin steuert aber die angeschlossene Last. Das System Quelle, Kabel und Verbraucher stellt somit einen Tiefpass dar. Ist der Innenwiderstand der Signalquelle groß oder das Kabel lang, so kann auch im Audiobereich bei höheren Frequenzen ein Lautstärkeabfall eintreten. Wenn Innenwiderstand Ri und Eingangswiderstand relativ klein sind, ist dies jedoch nicht zu befürchten. Sollte der Innenwiderstand der Signalquelle zu groß sein, empfiehlt sich der Einsatz eines Impedanzwandlers zwischen Signalquelle und Kabel. Stellt man sich zuhause seine HiFi-Anlage aus mehreren Komponenten zusammen, so verbindet man diese mit Kabeln. Die Länge dieser Kabel und die Impedanzen der Komponenten sind jedoch so gering, dass man sich keine Sorgen um seine hohen Frequenzen zu machen braucht. Eine andere Situation findet man jedoch im Bereich der professionellen Tonaufnahme, wo die Kabellänge durchaus 10 Meter oder mehr betragen kann. Beispielsweise haben einige Elektrogitarren bereits einen Impedanzwandler im Korpus eingebaut, da die Kabel zwischen Gitarre und Verstärker bei LiveAuftritten sehr lang sein können. Verwendete Literatur: Boré, Peus: Mikrofone, Georg Neumann GmbH, Berlin, 4. Auflage 1997. 3-17