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Lautsprecher
Die gängigen Funktionsprinzipien sind:
- elektrodynamischer Lautsprecher: Ein Abstrahlelement
(Membran) wird durch die Lorentzkraft - erzeugt durch
eine stromdurchflossene Spule in einem Magnetfeld
- angetrieben. Diese verbreiteteste Bauform ist unten
näher beschrieben.
- piezoelektrischer Lautsprecher ("Piezo"):
Der Antrieb der Membran erfolgt durch einen Piezo-Kristall,
dessen Ausdehnung von der anliegenden Spannung abhängängt.
- elektrostatischer Lautsprecher ("Elektrostat"):
Zwei parallele gitterförmige Elektroden, die
ein statisches elektrisches Feld aufbauen, schliessen
eine Membran ein. Strom durch Leiterbahnen auf der
Membran erzeugt die Antriebskraft.
- magnestotatischer Lautsprecher ("Magnetostat",
"Bändchen"): eine Sonderform des elektrodynamischen
Lautsprechers. Hier ist die Membran - ähnlich
der des Elektrostaten - direkt mit Leiterbahnen versehen.
Sie bewegt sich in einem Permanent-Magnetfeld.
- Ionen- oder Plasma-Lautsprecher: Ein Schallwandler
ohne Membran. Hierbei wird die Luft direkt durch modulierte
Hochspannung angeregt, was lokale Ionisierung und
damit Schalldruck verursacht.
- Dynamischer Lautsprecher: Eine Spule (Schwingspule
engl. Voice coil) befindet sich im Magnetfeld eines
Permanentmagneten (Magnet). An der Spule ist ein Schwingspulenträger
befestigt, der wiederum beim Übergang zwischen
dem Membran (Cone) und der Abdeckkappe, meist aus
Karton, befestigt ist. Spule und Membran können
sich im Magnetfeld in einer Richtung hin und herbewegen.
Leitet man eine Wechselspannung (Modulations-Spannung)
durch diese Spule, so wird durch Induktion eine Bewegung
der Membran erzwungen, die in Luft Schallwellen erzeugt.
Zur Übertragung tiefer Frequenzen werden meist
Konus-Membranen verwendet für hohe Frequenzen
Kalotten, d.h. inverse Konusmembranen, um Schallbündelung
bei hohen Frequenzen zu vermeiden.
Um Frequenzen wiederzugeben, deren Wellenlänge
grösser ist als der Membrandurchmesser, ist es
wichtig, dass der Lautsprecher in eine Schallwand eingebaut
ist, was den direkten Ausgleich der Schalldruckanteile
vor und hinter der Membran verhindert (sog. akustischer
Kurzschluss).
Verbreitete Gehäusebauformen sind u.a.:
- Geschlossenes Gehäuse: Der Laustprecher ist
in ein luftdicht abgeschlossenes Gehäuse eingebaut
- Bassreflex-Gehäuse: Das Volumen des Gehäuses
ist über einen Kanal an die Umgebung angekoppelt.
Es entsteht ein sog. Helmholtz-Resonator, der den
Wirkungsgrad im Bereich seiner Eigenresonanz (auch
Tuningfrequenz) erhöht, bei Frequenzen deutlich
darunter jedoch zu dem akustischem Kurzschluss und
damit Pegelverlusst führt.
- Horn-Lautsprecher: Der Lautsprecher wird über
ein Horn an die Umgebung angekoppelt. Mit einem Horn-Lautsprecher
können sehr hohe Wirkungsgrade erreicht werden.
Hornlautsprecher sind bei richtiger Dimensionierung
zudem in der Lage eine über die Frequenz konstante
Richtwirkung zu generieren, da sie entlang des Hornverlaufes,
vom Hornhals bis zum Hornmund, der Wellenfront alle
Membrandurchmesser zur Verfügung stellen.
- Transmissionline-Gehäuse: Das Lautsprechergehäuse
bildet ein langes Rohr (meist gefaltet). Durch relativ
komplexe Wellenleitungsvorgänge wird die von
der Rückseite der Membran abgestrahlte Energie
benutzt, um die Tiefbaßwiedergabe des Lautsprechers
zu verstärken.
Für sehr tiefe Frequenzen ist der Wirkungsgrad
des Lautsprechers abhängig von der Membranfläche.
Im Tieftonbereich sind daher große Membranen von
Vorteil. Diese sind jedoch aus folgenden Gründen
ungeeignet zur Wiedergabe hoher Frequenzen:
- Hohe Frequenzen (kurze Wellenlängen) werden
mit i.A. ungewünschter Direktivität wiedergegeben
- Wellenlängen kleiner als der Durchmesser können
die Membran zu Partialschwingungen anregen
- mechanische Verluste innerhalb der Membran können
schnelle Bewegungen bedämpfen
Um das hörbare Spektrum abzudecken, werden daher
i.A. Lautsprecher mit unterschiedlichen Durchmessern
oder Bauformen eingesetzt, Hochtöner, Mitteltöner
oder Tieftöner.
Um die Modulations-Spannung in die entsprechenden Frequenzbereiche
aufzuteilen, setzt man elektrische Filter (Frequenzweichen)
aus Kondensatoren, Spulen und Widerständen ein.
Lautsprecher, die versuchen den gesamten Audio-Frequenzbereich
abzudecken, sog. Breitband-Lautsprecher oder Breitbänder,
müssen daher die wirksame Membranfläche zu
hohen Frequenzen hin reduzieren. Dieses wird durch unterschiedliche
Abstrahlelemente (z.B. Tieftonkonus, Hochtonkegel) realisiert,
deren homogene Abkopplung bei grossen Lautsprechern
jedoch nur schwer zu erreichen ist, was i.A. zu einer
unzureichenden Hochtonwiedergabe führt.
Weiterhin führen die für die Tieftonwiedergabe
nötigen hohen Membranauslenkungen zu Modulationen
des Hochtonbereichs (Doppler-Effekt). Eine spezielle
Art des Lautsprechers ist der Subwoofer, der für
die Wiedergabe ausschließlich tiefer Frequenzen,
vorzugsweiseweise unter 80 Hz, optimiert ist. Wird ein
Subwoofer eingesetzt, können die sog. "Satelliten",
die das Spektrum darüber und damit die Lokalisation
übernehmen, relativ kompakt ausfallen.
Kleine Multimedia-Lautprecher-Systeme erfüllen
diese Vorraussetzubgen i.A. nicht, da - durch die Grösse
bedingt - die "Subwoofer" unterhalb 80 Hz
nur unzureichend wiedergeben und die Trennfrequenz zu
den Satelliten eher bei 150 bis 200 Hz liegt. Damit
ist die Lokalisation nicht mehr unabhängig vom
Subwoofer.
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