Produkt: Grundlagen: LED Vorteile und Nachteile
Grundlagen: LED Vorteile und Nachteile
LED Vorteile und Nachteile - Was macht Sinn?
Physikalische Grundlagen und die praktische Ausführung der Schallwandlung

PA-Anlage: Wie funktioniert ein Lautsprecher

 Magnetostaten

Statt der ringförmigen Einleitung der Kraft vom Spulenträger in die Membran wäre es zur Vermeidung von Partialschwingungen viel günstiger, wenn die antreibende Kraft gleichmäßig über die gesamte abstrahlende Fläche angreifen würde. Und in der Tat existieren elektrodynamische Lautsprecher mit dieser Eigenschaft. Sie werden in Analogie zu den im Anschluss besprochenen Elektrostaten, bei denen ebenfalls die gesamte Membran gleichmäßig angetrieben wird, gerne Magnetostaten genannt, obwohl das nicht ganz den Kern trifft, denn ein statisches Magnetfeld existiert ja aufgrund der Permanentmagnete auch in konventionellen Lautsprechern. Der vom prinzipiellen Aufbau her einfachste Vertreter der Magnetostaten ist der klassische Bändchenhochtöner. Bei ihm ist eine hauchdünne leitende Folie, meist aus Aluminium (ähnlich wie Alufolie für Küchenzwecke), vertikal zwischen den ausgestreckten Polplatten eines möglichst kräftigen Permanentmagneten befestigt − manchmal gefaltet, meistens aber gestreckt. Im Gegensatz zum klassischen elektrodynamischen Lautsprecher mit Schwingspule fließt der Strom im Bändchenhochtöner also nur einmal das Magnetfeld entlang. Gleichzeitig ist der elektrische Widerstand der Folie mit ca. 0,2 Ohm sehr gering. Er muss deshalb zum Anschluss an normale Audio-Verstärker mit Hilfe eines angeflanschten Transformators hochtransformiert werden, womit auch der Strom durch das Bändchen auf die hohen Werte gebracht wird, die für die Erzeugung einer nennenswerten Antriebskraft erforderlich sind. Der Trafo ist allerdings selbst ein kritisches Bauteil, welches durch Hysterese und Sättigung nichtlineare Verzerrungen erzeugen und bei Erhitzung zu einem Empfindlichkeitsverlust führen kann. Außerdem muss er über einen Kondensator an den Verstärker angeschlossen werden, da bei tiefen Frequenzen nur der Gleichstromwiderstand seines primärseitigen Spulendrahtes übrig bleibt.

 

Anzeige

Schaubild Arbeitsweise Prinzipielle Arbeitsweise eines Magnetostaten
Prinzipielle Arbeitsweise eines Magnetostaten (Bild: Swen Müller)

Auf den Trafo kann verzichtet werden, wenn statt des feinen Metallbändchens eine Kunststofffolie verwendet wird, auf welche eine Alu-Leiterbahn als planare Spirale aufgebracht wird. Die Breite und Dicke der Bahn sowie Anzahl ihrer Umrundungen wird so gewählt, dass sich gleich eine passende Nennimpedanz (4 oder 8 Ohm) für den Anschluss an normale Verstärker ergibt. Da der Strom nun rechts und links vom Mittelpunkt in entgegengesetzten Richtungen fließt, muss ähnlich wie beim konventionellen Lautsprecher der eine Pol des Magnetkreises in die Mitte und der andere über Weicheisenteile an die beiden Außenseiten rechts und links geführt werden, damit die antreibenden Kräfte auf beiden Seiten gleich sind.

 

Die nach diesem Prinzip aufgebauten planar ribbon tweeter taugen nicht nur für den HiFi-Bereich, sondern werden auch für Großbeschallungsanwendungen gebaut (zum Beispiel von Alcons Audio und SLS). Durch ihre mit gleichmäßig verteilter Flächenkraft angetriebene, federleichte Membran erstreckt sich ihr Frequenzbereich mühelos bis 30 oder 40 kHz, ohne von tiefen Einbrüchen durch Partialschwingungen oder Überhöhungen durch Membranresonanzen geplagt zu werden. Das exzellente Übertragungsverhalten manifestiert sich auch in ihrer Impulsantwort, deren messerscharfem Peak praktisch keine Nachschwinger folgen.

Als dritte Bauart der Magnetostaten erfreut sich der „Air Motion Transformer“ für den HiFi- und Studiomonitor-Bereich steter Beliebtheit. Bei diesem ist die Membran Ziehharmonika-artig gefaltet. Der hindurchfließende Strom zieht je nach Polarität die Falten auseinander oder drückt sie zusammen, was zu einer senkrecht auf der Membranfläche stehenden Luftströmung und Schallausbreitung führt. Wie auch bei den anderen Bauformen der Magnetostaten gibt der AMT mühelos die erste Ultraschall-Oktave (20–40 kHz) wieder.

Elektrostaten

Auch beim elektrostatischen Lautsprecher wird die gesamte Membran, die bei Bedarf sehr groß ausfallen kann, gleichmäßig angetrieben, allerdings nicht von einem stromdurchflossenen Leiter, sondern von der elektrostatischen Anziehung bzw. Abstoßung zwischen Objekten mit unterschiedlichen Ladungen. Die Membran ist elektrisch leitend (Metall oder metallisierte Kunststofffolie) und von gelochten Gegenelektroden umgeben. Sie erzeugen mit Hilfe einer angelegten Spannung von einigen hundert Volt ein elektrostatisches Feld, denen das Audiosignal überlagert wird und so die Membran zum Schwingen bringt. Die Anziehungskraft zwischen Membran und Gegenelektrode besitzt eine quadratische Abhängigkeit vom Kehrwert des Abstands zwischen beiden, was schon bei relativ kleinen Auslenkungen zu nichtlinearen Verzerrungen führt. Diese lassen sich durch eine Gegentakt-Anordnung (Elektroden vor und hinter der Membran, die mit invertierter Phase angesteuert werden), welche bei den meisten Elektrostaten auch üblich ist, erheblich verringern.

Die mit Elektrostaten erzeugbaren maximalen Schalldrücke sind nicht sonderlich hoch, denn der Abstand zwischen Gegenelektrode(n) und der Membran muss zur Erzielung einer brauchbaren Flächenkraft sehr gering sein, womit sie aber andererseits nur zu kleinen Amplituden in der Lage ist. Ihre Dipolstrahler-Eigenschaft (sie strahlen das Audiosignal nach hinten mit invertierter Phase ab) macht zudem ihre Aufstellung ziemlich kritisch. Deshalb findet man diesen Wandlertyp nur in den Abhörräumlichkeiten weniger Audiophiler wieder, denen Exklusivität über Schalldruck und weitere praktische Aspekte wie kontrolliertes Abstrahlverhalten geht. Im Tieftonbereich haben Elektrostaten aufgrund der nur geringen maximalen Membranauslenkung nix zu melden. Bei der üblichen offenen Bauweise mit Dipol-Eigenschaften verhindert außerdem alleine schon der akustische Kurzschluss die Abstrahlung tiefer Frequenzen. Sie müssen für anständige Basswiedergabe deshalb stets durch einen „konventionellen“ elektrodynamischen Subwoofer ergänzt werden.

 Piezoelektrische Lautsprecher

Der Vollständigkeit halber sei noch der piezoelektrische Lautsprecher erwähnt, dessen antreibendes Element aus einem piezoelektrischen Kristallmaterial (zum Beispiel dem ferroelektrischen Blei-Zirkonat-Titanat) besteht, welches sich bei Anlegen einer äußeren Spannung verformt. Auch dieser Prozess ist reziprok, das heißt, bei von außen einwirkenden Kräften erzeugt das Material eine Spannung an den Stirnflächen, die bei Schlägen so hoch werden kann, dass das Prinzip z. B. in Zündern für Feuerzeuge und Gasherde angewandt wird.

Auch als Wandlerelement in Mikrofonen mit beachtlicher Empfindlichkeit lässt es sich verwenden und „Kristallmikrofone“ waren deswegen lange Zeit in der Funktechnik beliebt. Beim Einsatz in Lautsprechern ist die Amplitude des Feststoffs wiederum gering, weshalb auch „Piezos“ nur für den Mittel- und Hochtonbereich in Frage kommen. Die Fehlanpassung der akustischen Impedanz zwischen der harten Keramik und der extrem nachgiebigen Luft ist beträchtlich. Deswegen fühlen sich Piezowandler in den wesentlich dichteren und weniger kompressiblen Flüssigkeiten und an Feststoffen auch erheblich wohler und sind das vorwiegende Wandlungsprinzip bei Hydrofonen, in welchen sie zur Erzeugung von Frequenzen bis in den zweistelligen Megahertz-Bereich in der Lage sind. Bei Hifi und Beschallung spielen sie wegen des wenig linearen Frequenzgang mit ausgeprägten Resonanzen sowie ihrer Nichtlinearitäten kaum eine Rolle, allerdings werden sie wegen ihres günstigen Preises und der möglichen extrem flachen Bauart (dünner als 1 mm) Milliarden-fach in Mobiltelefonen, Kameras und anderen kompakten Gerätschaften sowie in Computern und Ultraschall-Alarmanlagen eingesetzt.

Druckkammertreiber und Hornlautsprecher

Übliche direktstrahlende Konuslautsprecher haben einen erschreckend geringen erscheinenden Wirkungsgrad, der zum Beispiel bei HiFi-Tief- und Mitteltönern nur in der Größenordnung von 1 % liegt. Von 100 eingespeisten Watt wird also nur ein einziges tatsächlich als akustische Leistung abgestrahlt, der Rest hingegen in Verlustwärme umgewandelt. Der Hauptgrund für diese miserable Effizienz liegt in der hohen Nachgiebigkeit der Luft. Anschaulich gesprochen trifft die vibrierende Membran auf sehr geringen Widerstand (der sich aus dem Produkt von Schallgeschwindigkeit und Dichte der Luft ergibt), so dass sich nur ein vergleichsweise geringer Druck durch die von der Membran eingeprägte Volumenschnelle aufbaut. Dieser lässt sich allerdings beträchtlich erhöhen, wenn der Lautsprecher zunächst auf eine sehr kleine Kammer arbeitet, deren eingeschlossenes Luftvolumen wesentlich unnachgiebiger ist und nur durch eine Öffnung entweichen kann, deren Fläche deutlich kleiner ist als die der antreibenden Lautsprechermembran. Der Widerstand, den die Membran spürt, erhöht sich dadurch um das Verhältnis der Flächen. An der Austrittsstelle erzeugt der hohe Druck eine hohe Schnelle der Luftmoleküle. Üblicherweise erfolgt der Übergang zur Umwelt aber nicht abrupt, sondern es wird ein Horn angeflanscht, dessen Mund den gleichen Anfangsquerschnitt wie der Austritt des Kompressionstreibers aufweist und sich dann allmählich aufweitet. Auf diese Weise lässt sich die Effizienz am unteren Ende des beabsichtigten Übertragungsbereichs noch erhöhen, vor allem aber der Schall auf einen gewünschten Bereich fokussieren, was den Schalldruck dort nochmals beträchtlich erhöht.

Für Hochleistungs-Beschallungssysteme sind zumindest für den Hochton-, meist aber auch noch den Mitteltonbereich und gelegentlich sogar den Bassbereich Hornsysteme absolut üblich, unterscheiden sich aber vom Aufbau her gemäß der Wellenlängen, die im Bassbereich so groß werden, dass sich dort Hörner nur in gefalteter und verkürzter Form realisieren lassen und unter normalen Umständen nicht bis in die allertiefsten Basslagen vordringen. Darüber allerdings ist ihr körperlich erfahrbarer punch massiv und ihre Direktheit beeindruckend. Im für die saubere Gesangs- und Sprachwiedergabe besonders wichtigen Mitteltonbereich kommen Konuslautsprecher mir starkem Antrieb und besonders reißfesten Membranen zum Einsatz, die auf Hörner arbeiten, welche häufig ebenfalls gefaltet sind und praktisch das gesamte Gehäusevolumen einnehmen. In diesen sind die Hochtonhörner häufig mittig eingearbeitet, insbesondere bei Line-Arrays.

Neben den Vorteilen der deutlich höheren Effizienz, größeren Tragfähigkeit und planbar gleichmäßigen Richtcharakteristik von Hornlautsprechern ist zumindest bei mittleren Pegeln auch noch eine Abnahme des Klirrfaktors als Pluspunkt zu nennen. Das liegt daran, dass die Membran des Treibers zum Erzeugen des gleichen Schalldrucks am Abhörpunkt einen deutlich geringeren Membranhub ausführen muss als ein Direktstrahler, mithin also die durch ein inhomogenes Magnetfeld und nichtlineare Federkennlinie der Aufhängung bedingten Klirrmechanismen weniger in Erscheinung treten. Auf der anderen Hand können die Schalldrücke und -schnellen in Druckkammern insbesondere im Mittel/Hochtonbereich so hoch werden, dass sich der nichtlineare Zusammenhang zwischen Druck und Schnelle des Mediums (in diesem Fall also der Luft) bemerkbar macht.

Außerdem entstehen bei so hohen Pegeln häufig Strömungsgeräusche. Resonanzen in der Druckkammer sowie Mehrfach-Reflexionen zwischen Hornaustritt (wo durch den abrupten Übergang vom Horn in den Raum ein Sprung der Wellenimpedanz entsteht) und Hornmund sorgen für einen unruhigen, häufig von hohen Spitzen und tiefen Einbrüchen verunzierten Frequenzgang. Dazu tragen auch die unvermeidbaren Partialschwingungen bei, die gerade bei größeren Druckkammertreibern (insbesondere den 2″-Ungetümen mit 4″-Kalottenmembran) ab ca. 10 kHz den Frequenzgang mit tiefen Einbrüchen durchziehen. Unser Gehörsinn ist aber solchen schmalbandigen notches gegenüber relativ tolerant und eine passende Entzerrung, welche den bei constant directivity Hörnern (CD) üblichen Höhenverlust ausgleicht und zumindest die Überhöhungen ausbügelt, kann sie sehr seidig und high-fidel klingen lassen. Deshalb sind sie auch im höchstpreisigen High End Sektor keine Unbekannten, wo sie selbst an esoterischen, nur eine Hand voll Watt liefernden Edelverstärkern in Class-A-Röhrentechnik auf verchromten Chassis ausreichende Lautstärken produzieren können, um den betuchten audiophilen Klassik- bzw. Jazz-Fan in Ekstase zu versetzen.

Bassboxen

Wird ein nicht eingebauter Lautsprecher einzeln betrieben, tritt ein Problem auf: Bei der Vorwärtsbewegung der Membran wird die Luft vor ihr komprimiert, hinter ihr aber entspannt − und umgekehrt. Dies hat bei tiefen Frequenzen (bei denen der Lautsprecher klein im Vergleich zur Wellenlänge ist) zur Folge, dass schlicht ein Druckausgleich um den Rand des Lautsprechers herum stattfindet und schon alleine deswegen keine Schallabstrahlung möglich ist. Der Beginn dieses als „akustischer Kurzschluss“ bekannten Phänomens lässt sich zu tieferen Frequenzen hin verschieben, indem der Lautsprecher in eine größere Platte oder aber in einen hinten offenen Kasten eingebaut wird, wie es bei antiken Röhrenradios und steinalten Fernsehern mit Bildröhre der Fall war. Um ihn gänzlich zu vermeiden, muss der Lautsprecher entweder in eine (nahezu) unendliche Wand oder aber in ein geschlossenes Gehäuse (englisch: box) eingebaut werden.

Letzteres hat allerdings zur Folge, dass die eingeschlossene Luft wie eine dritte Feder (neben Sicke und Spinne für die Membranaufhängungen) wirkt, welche die Resonanzfrequenz des Lautsprechers nach oben treibt. Unterhalb dieser Resonanzfrequenz nimmt der Schalldruck mit 12 dB/Oktave ab. Je größer die Box ist, umso nachgiebiger ist das eingeschlossene Luftvolumen und umso weniger steigt die Resonanzfrequenz des Lautsprechers. Dies ist der Hauptgrund, warum moderne Flach-TVs mit LCD- oder Plasmabildschirmen im Vergleich zu den früheren voluminösen Trümmern mit wuchtigen Bildröhren zwar mit gestochen scharfen Bildern, aber weniger mit ihrem Klang beeindrucken können.

Die meisten heutigen Lautsprecherboxen sind allerdings nicht geschlossen, sondern haben eine oder mehre Öffnungen, hinter denen normalerweise mehr oder weniger lange Rohre ins Gehäuseinnere führen. Der Effekt dieser Anordnung ist, dass das in den Rohren befindliche Luftvolumen wie ein Stopfen auf dem nachgiebigeren Innenvolumen federt und so einen Helmholtz-Resonator bildet. Bei dessen Resonanzfrequenz findet praktisch die gesamte Schallabstrahlung über die zusätzliche(n) Öffnung(en) statt. Die Auslenkung der Lautsprechermembran ist dort hingegen minimal, da der Resonator ihr viel Kraft abverlangt und sie so ausbremst. Mit diesem verwirrenderweise „Bassreflex“ genannten Prinzip (tatsächlich werden dabei nirgends Bässe „reflektiert“) lässt sich bei gleichen Gehäuseabmessungen der Übertragungsbereich um ungefähr eine Oktave nach unten verschieben. Unterhalb der Resonanzfrequenz sinkt der Schalldruck nun aber um sogar 24 dB/Oktave, denn bei tieferen Frequenzen macht sich zunehmend der offenkundige akustische Kurzschluss bemerkbar.

Neben den Bassreflexboxen gibt es noch Anordnungen, bei denen der Lautsprecher im Innern der Box auf zwei verschiedene Kammern arbeitet, die jede für sich einen Resonator mit nach außen geführtem Rohr darstellt. Die beiden verschiedenen Resonanzfrequenzen lassen sich geschickt so platzieren, dass der Übertragungsbereich dazwischen linear ist und darüber hinaus beidseitig abfällt. Dieses schlüssigerweise „Bandpass“ genannte Konzept erlaubt bei Einsatz antriebsstarker und mechanisch hoch belastbarer Lautsprecher besonders hohe Schalldrücke, da die Auslenkung der Membran im Nutzbereich relativ gering bleibt.

Auf der dritten und letzten Seite dieses Artikels wird das Thema der passiven Frequenzweiche zur Aktivbox näher erläutert!

Produkt: Production Partner 05/2020
Production Partner 05/2020
eSports/Gaming: Freaks 4U +++ BMD ATEM Mini Pro +++ Datavideo NVS-33 +++ 30 Jahre JB-Lighting Chauvet Professional Rogue R1 BW +++ Auto-Kulturbühne Remchingen +++ Allen & Heath Avantis

Kommentare zu diesem Artikel

  1. “Während es schwer fällt, bei (…) Verstärkern noch Unterschiede zwischen unterschiedlichen Modellen heraus zu hören, …”
    Gibt es eine technische Erklärung, warum verschiedene Transistorverstärker einen unterschiedlichen “Klang” haben sollen? Klar, ein Röhrenverstärker verbiegt den Frequenzgang so, dass keine lineare Wiedergabe möglich ist, Transorverstärker nicht.
    In diversen Blindtests konnte bisher kein Verstärkerklang nachgewiesen werden.
    Oder verfügen Sie über neue wissenschaftliche Erkenntnisse / Studien?
    PS: Hörschwellen gehören zur Betrachtung dazu und können nicht wegdiskutiert werden.

    Auf diesen Kommentar antworten
  2. Warum klebt man die Anschlusskabel auf der Pappe fest

    Auf diesen Kommentar antworten
  3. Tolle Sachen, super erklärt, ich bin aboslut sprachlos

    Auf diesen Kommentar antworten
  4. Komisch das du fast ausschließlich negative Beispiele der elektrostaten gebracht hast. Die vielen Vorteile gegenüber konventionellen Treibern hast du komplett außer acht geladsen

    Auf diesen Kommentar antworten
  5. Auch wenn es längst vergangene Zeiten betrifft- ich habe nie einen elektrodynamischen Lautsprecher aus der Röhrenradiozeit gefunden, bei dem der Magnet von der Heizspannung der Röhren gespeist worden wäre. Vielmehr war es üblich, die Magnetspule in Reihe in den Stromkreis zu schalten, der den Anodenstrom für die Röhren lieferte.
    Diese Spule wirkte dann auch gleichzeitig als Drossel zur Glättung der Anodenspannung. Die Spannung nach dem Netzgleichrichter war darum auch erheblich(!) höher als in späteren Zeiten, als bessere Magnetmaterialien den permanent- dynamischen Lautsprecher möglich machten, wie wir ihn heute kennen.

    Ansonsten- ein super Artikel!

    Auf diesen Kommentar antworten

Pingbacks

  1. Facebook Friday: Die besten Posts der Woche 35 › Production Partner
  2. PA-Lautsprecher: Investitionsgut statt Liebhaber-Box › Production Partner
  3. Geschichte der Beschallungstechnik (1944-1981) › Production Partner

Schreiben Sie einen Kommentar

Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Das könnte Sie auch interessieren