Kapitel3 - home.edvsz.fh

Werbung
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
Herunterladen
Explore flashcards