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Lautsprecher Marco Leuenberger 1 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 2 Marco Leuenberger 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 3 Marco Leuenberger 6.Mai.2011 Lautsprecher 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. 4 Marco Leuenberger 6.Mai.2011 Lautsprecher 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 5 Marco Leuenberger 6.Mai.2011 Lautsprecher 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. 6 Marco Leuenberger 6.Mai.2011 Lautsprecher 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. 7 Marco Leuenberger 6.Mai.2011 Lautsprecher 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. 8 Marco Leuenberger 6.Mai.2011 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/ 9 Marco Leuenberger 6.Mai.2011
