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Lautsprecher
Marco Leuenberger
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Marco Leuenberger
6.Mai.2011
Lautsprecher
Inhalt
1.
Einführung ....................................................................................................................................... 3
2.
Was ist Schall? ................................................................................................................................. 3
3.1 Schalldruck .................................................................................................................................... 3
3.2 Schalldruckpegel............................................................................................................................ 4
3.
Geschichte ....................................................................................................................................... 4
4.
Anwendungsbereiche ...................................................................................................................... 5
5.
Grundprinzip .................................................................................................................................... 5
6.
Antriebsformen ............................................................................................................................... 5
6.1 Elektrodynamischer Lautsprecher................................................................................................. 5
6.2 Magnetostatischer Lautsprecher .................................................................................................. 6
6.2.1 Bändchen-Magnetostat .......................................................................................................... 6
6.2.2 Folien-Magnetostat ................................................................................................................ 6
6.3 Elektrostatischer Lautsprecher...................................................................................................... 6
6.4 Ferroelektrischer Lautsprecher ..................................................................................................... 7
6.5 Elektromagnetischer Lautsprecher ............................................................................................... 7
6.6 Biegewellenwandler ...................................................................................................................... 7
7.
Elektrische Belastbarkeit ................................................................................................................. 7
8.
Impedanz ......................................................................................................................................... 8
9.
Wirkungsgrad .................................................................................................................................. 8
10.
Quellen ........................................................................................................................................ 9
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6.Mai.2011
Lautsprecher
1. Einführung
Ein Lautsprecher ist ein Gerät, mit dem man niederfrequente elektrische Signale in Schalwellen
umwandeln kann. Lautsprecher gibt es in den verschiedensten Qualitäten und Bauformen. Die
Bauform ist abhängig von den reproduzierbaren Tönen und der Leistung ab.
2. Was ist Schall?
Schall bezeichnet allgemein Geräusche welche Menschen oder Tiere durch ihr Gehör wahrnehmen.
Schall ist die Ausbreitung kleineren Druck- und Dichteunterschiede in einem Medium (Gase,
Flüssigkeiten und Festkörper). Man unterscheidet von Nutzschall (Gespräch, Musik…) und Störschall
(Bauarbeiten, Verkehrslärm…). Physikalisch gesehen ist eine Schallwelle eine mechanische Welle,
welche sich regelmässig ausbreitet. Je nach Medium hat Schall eine unterschiedliche
Ausbreitungsgeschwindigkeit, welche von der Temperatur und dem Druck des jeweiligen Mediums
abhängt. Im Vakuum gibt es keinen Schall, da das Medium fehlt. Die Schallgeschwindigkeit beträgt
bei einer Temperatur von 20°C in Luft 343m/s und in Wasser 1521m/s. Die Wellenlänge λ (=Lambda)
kann man folgendermaßen berechnen:
c = Schallgeschwindigkeit
f = Frequenz
Beispiel:
Bei einer Frequenz von 170Hz beträgt die Wellenlänge in Luft etwa 2m.
λ = 343m/s/170Hz
λ≈2m
Die Schwankungen von Druck und Dichte sind im Verhältnis zum Ruhezustand klein.
Beispiel: Vergleich mit einem Schalldruckpegel von 130 dB (Dezibel), etwa die Schmerzschwelle des
Menschen, mit dem normalen atmosphärischen Druck. Der Ruhedruck der Atmosphäre beträgt
101325 Pascal, während ein Schalldruckpegel von 130 dB einem Effektivwert des Schalldrucks p von
gerade einmal 63 Pascal entspricht.
Schall wird im Allgemeinen in 3 verschiedene Bereiche unterteilt.
- Infraschall <16Hz (für Menschen nicht hörbar)
- Hörschall 16Hz – 20kHz (für Menschen hörbar)
- Ultraschall >20kHz (für Menschen nicht mehr hörbar)
3.1 Schalldruck
Schalldruck ist die Druckschwankung welche bei der Ausbreitung von Schall auftritt. Schalldruck wird
wie normaler Druck in Pascal gemessen. Schall wird oft auch als Pegelgrösse angegeben: Der
sogenannte Schalldruckpegel.
Der Schalldruck p lässt sich folgendermaßen berechnen:
F = Kraft
A = Fläche
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3.2 Schalldruckpegel
Der Schalldruckpegel ist ein Mass, welches die Stärke von Schall angibt. Häufig spricht man auch vom
Schallpegel. Er wird in dB (Dezibel) angegeben. Der Schalldruckpegel Lp lässt sich mithilfe eines
Bezugswertes berechnen:
p = Schalldruck in Pascal
p0= Bezugswert
Der Bezugswert wurde in dem Medium Luft als 20uPa und in Wasser und anderen Stoffen als 1uPa
definiert.
3. Geschichte
Die
Entwicklung
des
Lautsprechers ist direkt mit der
Erfindung
des
Telefons
verknüpft. 1860 führte Antonio
Meucci
eine
Fernsprechverbindung vor.
Am 26. Oktober 1861 führte
Philipp Reis das von ihm
erfundene
Telefon
dem
Physikalischen
Verein
in
Frankfurt vor. Thomas A. Edison
führte 1870 Experimente mit
dem von ihm erfundenen
Phonographen durch. Alexander
Graham Bell entwickelte das auf
der Erfindung von Philipp Reis
basierende
Telefon
zur
Marktreife weiter. Die Erfindung
des Lautsprechers fand sozusagen
Elektrodynamischer Lautsprecher aus dem Jahr 1925
nebenbei statt.
Werner von Siemens erhielt 1878 ein Patent für den von ihm erfundenen elektrostatischen
Lautsprecher, welcher heute noch verwendet wird. Sein Pech waren die fehlenden geeigneten
Verstärker. Die Konstruktion des Lautsprechers war schon recht ausgereift. Als Begründer des
modernen Lautsprechers gilt jedoch Sir Oliver Lodge, welcher 1898 die Gesetze des
Elektromagnetismus anwendete um eine Versuchsanordnung aufzubauen. Für die heutigen
naturgetreuen Laute wiederzugeben reichte das Prinzip zwar noch lange nicht aus, der Anfang war
jedoch gemacht. 1925 wurde der erste elektrodynamische Lautsprecher an der Funkausstellung in
Berlin präsentiert. Die Konstruktion war gut einen Meter gross und bestand aus einem festen
Magnetsystem und einem beweglichen,
stromdurchflossenen Leiter. Die Schallwellen mussten mit Hörern verstärkt werden.
1951 leisteten Albert Neville Thiele und Richard H. Small die Vorarbeit um mit kleinen Lautsprechern
tiefe Töne zu erzeugen.
Den Durchbruch schafften die Lautsprecher in den Sechziger- und in den frühen Siebzigerjahren.
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4. Anwendungsbereiche
Lautsprecher haben verschiedene Anwendungsbereiche. Wir alle
begegnen jeden Tag Lautsprecher auch wenn wir es nicht bewusst
wahrnehmen. Der häufigste Anwendungsbereich dient der Unterhaltung
wie z.B. die Widergabe von Musik. Lautsprecher werden auch für die
Widergabe von Informationen verwendet z.B. bei Bahnhöfen, Flughäfen
oder in Supermärkten um Werbung zu machen. Eine andere Anwendung
ist die Abschreckung von Tieren mit Ultraschalltönen.
5. Grundprinzip
Zur Wandlung elektrischer Signale in Schallwellen werden Membranen verwendet, welche in eine
mechanische Schwingung versetzt werden. Die Membran soll möglichst ganzflächig und gleichmässig
bewegt werden. Dies ist jedoch nur bei tieferen Frequenzen zu erreichen, da die Membran bei
grösseren Frequenzen in Teilgebiete ausbricht, welche sich gegenläufig bewegen. Die Sogenannte
Partialschwingung setzt daher eine obere Frequenzgrenze der Membran.
Die Abstrahlung der Schallwellen besitzt zwei Anteile. Zur einen Seite ist es die Membranschnelle,
also die Momentangeschwindigkeit. Zur anderen Seite der Strahlungswiderstand. Durch ihn wird die
Membranschnelle in eine Druckwelle umgewandelt. Der Strahlungswiderstand setzt sich aus der
Membranform, ihrer Grösse, der Frequenz und dem Medium (meistens Luft) zusammen.
Bei einer Frequenz von 0Hz beträgt auch der Strahlungswiderstand 0. Bei einer unendlich grosser
Schallwand und einem unendlich grossen Raum ist der der Strahlungswiderstand proportional zur
Frequenz.
6. Antriebsformen
Schallwandler können unterschiedlich angetrieben werden. Die häufigste Bauform ist der
Elektrodynamische Lautsprecher. Die Antriebsform hängt jedoch auch von den reproduzierbaren
Tönen ab.
Die verschiedenen Frequenzen kann man in folgende Bereiche einteilen:
- Tiefer Bass
20Hz-60Hz
- Bass
60Hz-100Hz
- Tiefe Mitte
100Hz-200Hz
- Mitte
200Hz-1kHz
- Tiefe Höhen
1kHz-3kHz
- Höhe
3kHz-12kHz
- Obere Höhen
12kHz-20kHz
6.1 Elektrodynamischer Lautsprecher
Ein Elektrodynamischer
Lautsprecher wird mit Hilfe
eines elektrischen Stromes und
eines Permanentmagneten
angetrieben. Auf einem
Spulenträger, welcher an der
Membran befestigt ist befindet sich
eine Spule. Die sogenannte
Schwingspule befindet sich in einem
Magnetfeld. Wird nun ein Wechselstrom
durch die Spule geleitet wird die Membran
dank der Lorentzkraft bewegt. Die
Lorentzkraft ist eine Kraft, welche
zwischen einem
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stromdurchflossenem Leiter und einem
Magnetfeld, indem sich der Leiter befindet, auftritt. Ausserdem besitzt ein elektrodynamischer
Lautsprecher auch eine Zentrierspinne und eine Sicke, welche die Membran wieder in ihre Ruhelage
bringen. Die Sicke ist ausserdem dafür verantwortlich, dass es zu keinem direktem Luftausgleich
zwischen der Vorder- und der Rückseite der Membran kommt.
6.2 Magnetostatischer Lautsprecher
Der Antrieb von Magnetostatischen Lautsprecher funktioniert nicht mit einer Swingspule, sondern ist
auf der ganzen Membran verteilt (Folien-Magnetostaten) oder ist selbst die Membran (BändchenMagnetostaten).
6.2.1 Bändchen-Magnetostat
Bei einem Bändchen-Magnetostatischen Lautsprecher
besteht die Membran aus einem leitfähigen Material. Diese
Lautsprecher Art wird meistens für Hochtöner aber auch für
Mitteltöner verwendet. Das Bändchen ist vertikal
angebracht und besteht in den meisten Fällen aus
Aluminium, da es einen sehr kleinen massenspezifischen
elektrischen Widerstand hat. Der massenspezifische
elektrische Widerstand eines Stoffes ist das Verhältnis des
spezifischen elektrischen Widerstandes zur spezifischen
Dichte. Das Bändchen ist etwa 10um dick, also etwa so dick
wie Alufolie, und für Mitteltöner ungefähr 25mm x80mm
gross. Ausserdem ist es leicht konvex gekrümmt, was ihm
eine grössere Stabilität gibt. Rechts und links von dem
Bändchen befinden sich Magnete. Wird nun ein
Wechselstrom vertikal durch das Bändchen durch die
Lorentzkraft bewegt und zur Schallabstrahlung gebracht.
Wegen der geringen Leiterlänge beträgt der Widerstand des
Bändchens etwa 0.2 – 1Ohm. Deshalb werden entweder
spezielle High Current-Verstärker oder Transformatoren
benötigt.
6.2.2 Folien-Magnetostat
Die Membran besteht aus einer Kunststofffolie, auf der Leiterbahnen aufgebracht sind. Auch hier ist
Aluminium üblich. Der Widerstand der Leiterbahnen liegt im normalen Bereich zwischen 4 und 8
Ohm, da mit dieser Technik längere und dünnere Leiterbahnen möglich sind. 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.
6.3 Elektrostatischer Lautsprecher
Elektrostatische Lautsprecher werden für Hochtöner ab 5 kHz verwendet. Zwischen einem
Kondensator hängt eine dünne Folie. Verursacht der Kondensator durch Auf- und Abschwellen des
Frequenzstroms eine Vibration der Folie, so überträgt diese den Schall an die Luft.
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6.4 Ferroelektrischer Lautsprecher
Bei dem ebenfalls als Hochtöner eingesetzten piezoelektrischen
Lautsprecher ensteht beim Anlegen einer Frequenzspannung die
Verformung einer Platte, die aus Piezokristallen besteht. Verformt sich
also diese Platte mit dem Rhythmus des Frequenzstromes, so regt sie die
Luft zum Schwingen an.
6.5 Elektromagnetischer Lautsprecher
Elektromagnetische Lautsprecher wurden häufig in der Anfangszeit der Audiotechnik verwendet,
mittlerweile aber nicht mehr. Beim elektromagnetischen Lautsprecher wird entweder eine EisenMembran bewegt, die den Schall direkt abstrahlt. Solche Lautsprecher werden heute nicht mehr
gebaut.
Die Nachteile dieser Konstruktionen sind:
hoher Klirrfaktor
ungeeignetes, schweres Material für Membran notwendig, was zu blechernem Klang führt.
Schlechte tiefe und hohe Töne.
6.6 Biegewellenwandler
Ein etwas anderes Funktionsprinzip
haben die Biegewellenwandler.
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, jedoch nur
mit mäßiger Klangqualität. Die
Anregung der Membran erfolgt wie bei einem
elektrodynamischen Lautsprecher durch eine Spule. Die
Lautstärke ist jedoch sehr eingeschränkt, da es bei höherem
Pegel zu einem klirren führen kann. Ein Anwendungsbereich, dieser Lautsprecher sind zum Beispiel
Schallaktive Displays.
Konzentrische Ausbreitung der
Wellen auf der Membran
7. Elektrische Belastbarkeit
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.
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.
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8. Impedanz
Die Impedanz eines Lautsprechers ist sein Innenwiderstand im Wechselstromkreis. Die Impedanz
wird wie der Gleichstromwiderstand in Ohm gemessen. Als Faustregel kann man sich merken, daß
der Gleichstromwiderstand einer Box etwa 20% kleiner ist als ihre Impedanz. Also weist eine Box mit
einer Impedanz von 8 Ohm einen Gleichstromwiderstand von etwa 6,4 Ohm auf.
Die gängigen Impedanzen von Lautsprecherboxen liegen bei 4 oder 8 Ohm. Dies ist besonders beim
Anschließen der Box am Verstärker von Wichtigkeit. Niemals darf die Impedanz der Lautsprecherbox
unter der Ausgangsimpedanz des Verstärkers liegen. Ist dagegen die Impedanz der Lautsprecherbox
höher als die des Verstärkers, schmälert dies lediglich die Ausgangsleistung des Verstärkers.
9. Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ist als Verhältnis von zugeführter und abgegebener Leistung definiert und ist
deshalb einheitenlos. Sein Wert kann nur zwischen 0 und 1 liegen oder in Prozent ausgedrückt
werden. In Lautsprecherdaten wird der Wirkungsgrad üblicherweise nicht angegeben, da er sehr
gering ist. Der Wirkungsgrad von einem Lausprecher beträgt etwa 0.2% bis 2%. Anstelle des
Wirkungsgrades wird meistens der Kennschalldruck angegeben. Der Kennschaldruck ist der mittlere
Schalldruck zwischen 125Hz und 4kHz, welcher in einer Entfernung von einem Meter gemessen wird,
wenn dem Lausprecher 1W zugeführt wird. Viele Lautsprecher Hersteller geben den
Kennschalldruckpegel als Wirkungsgrad an, was zur allgemeinen Verwirrung führt. Der
Kennschalldruck ist linear zum Wirkungsgrad.
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Lautsprecher
10. Quellen
http://de.wikipedia.org/wiki/Lautsprecher
http://www.referate10.com/referate/Elektronik/1/Lautsprecher-und-Frequenzweichen-reon.php
http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wirkungsgrad.htm
http://board.gulli.com/thread/1148191-hochtoener-mitteltoener-tieftoener-gt-frequenzbereich/
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