So funk­tio­nie­ren Laut­spre­cher

Was wä­re, gä­be es kei­nen Laut­spre­cher? Es gä­be kei­ne Hi-fi- und Heim­ki­no-an­la­gen. Wir könn­ten kei­ne CDS, LPS oder ein­fach nur Ra­dio hö­ren. Fern­se­hen und Ki­no wä­ren stumm. Grund ge­nug, sich mit dem Laut­spre­cher et­was in­ten­si­ver zu be­schäf­ti­gen.

Audio Test - - Magazin - Tho­mas Rieg­ler, Ste­fan Go­e­de­cke

Um­gangs­sprach­lich wird un­ter dem Be­griff „Laut­spre­cher“so ziem­lich al­les zu­sam­men­ge­fasst, was Tö­ne von sich gibt. Zu­nächst ver­steht man dar­un­ter kor­rek­ter­wei­se das run­de oder ova­le, meist trich­ter­för­mi­ge Ding, das in un­se­ren Ra­dio­ge­rä­ten, in den Sei­ten­tü­ren un­se­rer Au­tos oder in Laut­spre­cher­bo­xen ein­ge­baut ist. Aber auch Laut­spre­cher­bo­xen, so wie sie für Ste­reound Heim­ki­no-an­wen­dun­gen in ver­schie­de­nen Bau­ar­ten zum Ein­satz kom­men, wer­den fälsch­li­cher­wei­se oft nur als Laut­spre­cher be­zeich­net.

Funk­ti­on

Der Laut­spre­cher wan­delt elek­tri­sche Si­gna­le in Schall­wel­len und so­mit in me­cha­ni­sche Ener­gie um. Da­zu be­steht er in der Re­gel aus ei­ner Mem­bran, ei­ner An­triebs­ein­heit und ver­bin­den­den Ele­men­ten. Wei­ter braucht der Laut­spre­cher Luft, die er in Schwin­gung ver­set­zen kann. Oh­ne Luft kön­nen kei­ne Schall­wel­len und so­mit kei­ne Tö­ne er­zeugt wer­den.

Ge­schich­te

Die Ent­wick­lung des Laut­spre­chers ist mit der des Te­le­fons ver­bun­den. Schließ­lich ging es dar­um, Spra­che am an­de­ren En­de ei­ner Te­le­fon­lei­tung wie­der hör­bar zu ma­chen. Ein ers­tes Pa­tent für ei­nen Laut­spre­cher, ein elek­tro­dy­na­mi­scher, wur­de 1878 an Wer­ner von Sie­mens aus­ge­stellt. Den­noch wur­de der ers­te Laut­spre­cher erst

auf der ers­ten Funk­aus­stel­lung in Ber­lin 1925 vor­ge­stellt. Da es noch an leis­tungs­fä­hi­gen Ver­stär­kern man­gel­te, muss­ten die Schall­ge­ber je­ner Ta­ge noch sehr groß sein. Das Funk­ti­ons­prin­zip hat sich wäh­rend der letz­ten 90 Jah­re kaum mehr ver­än­dert. Al­le nach­fol­gen­den Ent­wick­lun­gen wa­ren im We­sent­li­chen tech­ni­sche Ver­fei­ne­run­gen und dien­ten vor al­lem der Ver­bes­se­rung der na­tur­ge­treu­en Wie­der­ga­be.

Tauch­s­pu­len­laut­spre­cher

Der Tauch­s­pu­len­laut­spre­cher ist die bis heu­te am häu­figs­ten ver­wen­de­te Kon­struk­ti­ons­art. Er ist auch als dy­na­mi­scher oder elek­tro­dy­na­mi­scher Laut­spre­cher be­kannt. Bei ihm schwingt ei­ne

Spu­le im ring­för­mi­gen Feld ei­nes Ma­gne­ten, der sie um­gibt. Da­bei taucht die Spu­le mehr oder we­ni­ger tief in sei­nen Luft­spalt ein. Die Spu­le ist über ei­ne Zen­trier­spin­ne mit der Mem­bra­ne ver­bun­den, die sie so in Schwin­gung ver­setzt. Der Tauch­s­pu­len­laut­spre­cher ist in ei­nem Korb ein­ge­baut. Sein hin­te­res En­de ist mit dem Ma­gne­ten, sein vor­de­res über ei­ne Si­cke mit der Mem­bran ver­bun­den. Die Spu­le ist mit dem Ver­stär­ker ver­bun­den. Er lässt durch sie ei­nen Wech­sel­strom flie­ßen, der im Rhyth­mus der Mu­sik und in Ab­hän­gig­keit der Laut­stär­ke schwankt. Da­durch wird die Spu­le nach vorn und zu­rück ge­scho­ben. Gleich­zei­tig be­wegt sie die Mem­bran, die die Luft in Schwin­gung ver­setzt. Den Tauch­s­pu­len­laut­spre­cher gibt es in zahl­rei­chen Bau­ar­ten und Durch­mes­sern. Für den Heim-hi­fi-ein­satz sind Durch­mes­ser von we­ni­ger als ei­nem Zen­ti­me­ter (cm) bis über 30 cm üb­lich.

Tei­le des Laut­spre­chers

Der Laut­spre­cher­korb ist das Ge­häu­se des Laut­spre­chers. In ihm ist die Mem­bran ein­ge­baut und an ihm ist das Ma­gnet­sys­tem mon­tiert. Bei hoch­wer­ti­gen Laut­spre­chern be­steht der Korb meist aus Alu­mi­ni­um­spritz­guss. So wer­den ei­ne ge­rin­ge Ei­gen­re­so­nanz und ho­he Form­be­stän­dig­keit bei ho­her Be­las­tung er­reicht. Mit dem Ma­gne­ten wird im Luft­spalt ein Ma­gnet­feld er­zeugt. Das Im­puls­ver­hal­ten und der Wir­kungs­grad des Laut­spre­chers sind um­so bes­ser, je stär­ker die­ses Feld ist. Gleich­zei­tig soll­te der Luft­spalt mög­lichst klein sein. In hoch­wer­ti­gen Laut­spre­chern kom­men Al­ni­co-oder Neo­dym-ma­gne­te zum Ein­satz. An­sons­ten wer­den meist Fer­rit­ma­gne­te ver­baut. Die Schwings­pu­le be­fin­det sich im Luft­spalt des Ma­gne­ten. Dort wan­delt sie elek­tri­sche Ton­signa­le in Be­we­gungs­en­er­gie um. Die Spu­le be­steht ge­wöhn­lich aus run­den Alu­mi­ni­um- oder Kup­fer­dräh­ten. Mit recht­ecki­gem Flach­draht kann ei­ne hö­he­re Wick­lungs­dich­te er­reicht wer­den. Die Spu­le ist auf dem Spu­len­trä­ger auf­ge­wi­ckelt. Er

be­steht aus Pa­pier, Kunst­stoff oder Alu­mi­ni­um, das die Ver­lust­wär­me sehr gut ab­lei­tet. Der Spu­len­trä­ger ist mit der Mem­bran ver­bun­den. Wei­ter hält er die Spu­le ge­mein­sam mit der Zen­trier­mem­bran zen­trisch im Luft­spalt des Ma­gne­ten. Die Zen­trier­mem­bran be­steht aus ge­tränk­tem Ge­we­be. Der Im­pe­danz­kon­troll­ring ist auf den Pol­kern ge­scho­ben. Er be­steht aus ei­nem Kup­fer­ring und hat die Auf­ga­be, ein an­stei­gen der Im­pe­danz bei hö­he­ren Fre­quen­zen zu ver­hin­dern. Die Mem­bran ist der ei­gent­li­che Laut­spre­cher. Sie be­steht aus lang­fas­ri­gem Pa­pier, Kust­stof­fen, wie Po­ly­pro­py­len, Po­lys­trol oder Kev­lar oder Alu­mi­ni­um und bringt die um­ge­ben­de Luft in Schwin­gung. Pa­pier­mem­bra­nen kön­nen auch mit Kunst­stoff be­schich­tet sein. Die Si­cke sorgt für die Ver­bin­dung der Mem­bran mit dem Korb. Wei­ter sorgt sie mit kon­stan­ter Fe­der­wir­kung, dass die Mem­bran in Po­si­ti­on ge­hal­ten. Sie wirkt sich auch auf die Gr­und­fre­quenz­re­so­nanz und den Hub der Mem­bran aus. Ty­pi­sche Si­cken­ma­te­ria­li­en sind Gum­mi, be­schich­te­te Ge­we­be oder Schaum­stoff. Der Luft­spalt des Ma­gne­ten wird mit der Staub­schutz­ka­lo­t­te vor Ve­r­un­rei­ni­gun­gen ge­schützt. Sie drückt er­wärm­te Luft in da­für vor­ge­se­he­ne Öff­nun­gen nach au­ßen. Je­der Laut­spre­cher hat zwei elek­tri­sche An­schlüs­se. Sie lei­ten die vom Ver­stär­ker kom­men­den Si­gna­le zur Spu­le und be­ste­hen aus hoch­fle­xi­blen Lit­zen. Un­ter dem Chas­sis ei­nes Laut­spre­chers ver­steht man üb­ri­gens sei­ne Be­stand­tei­le oh­ne Ge­häu­se. Da­zu ge­hö­ren die Mem­bran und die Si­cke, so­wie der Ma­gnet und die Schwings­pu­le, so­wie der Laut­spre­cher­korb.

Laut­spre­cher­ar­ten

Laut­spre­cher las­sen sich nach meh­re­ren Ge­sichts­punk­ten ein­tei­len. Ne­ben der Bau­art, sind dies vor al­lem ih­re Ein­satz­ge­bie­te und Fre­quenz­be­rei­che, für die sie ge­nutzt wer­den. Auch wenn die Her­stel­ler ei­ne brei­te Pa­let­te an Laut­spre­chern an­bie­ten, ba­sie­ren sie al­le auf we­ni­gen Grund­ty­pen.

Ko­nu­s­laut­spre­cher

Der Ko­nu­s­laut­spre­cher ist meist ein elek­tro­dy­na­mi­scher Laut­spre­cher und ke­gel­för­mig auf­ge­baut. Sei­ne Mem­bran ist in ei­nem Korb aus Alu­mi­ni­um oder Druck­guss ein­ge­baut. Sein Er­re­ger­sys­tem be­fin­det sich hin­ter dem Korb. Je nach Durch­mes­ser kommt der Ko­nu­s­laut­spre­cher als Hoch-, Mit­tel- oder Tief­tö­ner zum Ein­satz. Ko­nu­s­laut­spre­cher kön­nen in ih­rer Mit­te ei­nen zwei­ten Ko­nus ein­ge­baut ha­ben, mit dem mitt­le­re und ho­he Fre­quen­zen bes­ser zur Gel­tung kom­men.

Ka­lot­ten­laut­spre­cher

Der Schall­druck wird beim Ko­nu­s­laut­spre­cher durch die ke­gel­för­mi­ge Mem­bran an die

Luft ab­ge­ge­ben. Beim Ka­lot­ten­laut­spre­cher feh­len die Ko­nus­mem­bran und die Si­cke. Statt­des­sen gibt er den Schall­druck über ei­ne hab­ku­gel­för­mi­ge, meist nach au­ßen ge­wölb­te Mem­bran ab. Ihr Rand ist di­rekt mit der Schwings­pu­le ver­bun­den. Be­dingt durch ih­re Bau­art hat der Ka­lot­ten­laut­spre­cher ei­nen Ab­strahl­win­kel von 180 Grad. Da die Ka­lot­te nur klei­ne Hü­be aus­füh­ren kann, kommt sie nur als Hoch- und Mit­tel­tö­ner zum Ein­satz. Der Durch­mes­ser von Ka­lot­ten-hoch­tö­nern be­trägt rund 10 bis 25 mm, je­ner der Mit­tel­tö­ner bis zu 80 mm.

Horn­laut­spre­cher

Mit dem Horn wur­den be­reits in der Vor­laut­spre­cher­zeit Ge­räu­sche ver­stärkt. Man den­ke an den Trich­ter des Gram­mo­phons. Wäh­rend der Laut­spre­cher­früh­zeit war der Horn­laut­spre­cher un­ver­zicht­bar, wenn es um das er­rei­chen grö­ße­rer Laut­stär­ken ging. Leis­tungs­star­ke Ver­stär­ker gab es noch nicht. Heu­te ste­hen Horn­laut­spre­cher für voll­ende­tes Klang­er­leb­nis und de­cken den Hoch­ton- bis Bass­be­reich ab. Horn­laut­spre­cher be­ste­hen aus dem Horn und dem Er­re­ger­sys­tem. Der Horn­laut­spre­cher muss auf den Hör­ort aus­ge­rich­tet wer­den, um op­ti­ma­le Klang­er­leb­nis­se zu er­rei­chen.

Pie­zo­ke­ra­mi­scher Horn­laut­spre­cher

Der pie­zo­ke­ra­mi­sche Horn­laut­spre­cher wur­de in den 1970ern ent­wi­ckelt. Er ist sehr klein und na­he­zu be­lie­big be­last­bar. Wei­ter kann er oh­ne Fre­quen­zwei­che in Se­rie oder par­al­lel ge­schal­tet wer­den. Der Fre­quenz­be­reich die­ses heu­te nur noch sel­ten ver­wen­de­ten Laut­spre­cher­typs liegt zwi­schen 2 und 25 khz.

Ein­tei­lung nach Fre­quenz­be­rei­chen

Un­ser al­ler Ziel ist es, Mu­sik so ori­gi­nal­ge­treu als nur mög­lich über Laut­spre­cher wahr­zu­neh­men. Ein ein­zi­ger Schall­wand­ler ist da­zu nur be­dingt in der La­ge, was phy­si­ka­li­sche Ur­sa­chen hat. Tie­fe Tö­ne ha­ben nied­ri­ge Fre­quen­zen. Sie er­for­dern zum Bei­spiel sehr lan­ge Kla­vier­sai­ten. Ho­he Fre­quen­zen er­zeu­gen ho­he Tö­ne. Im Kla­vier braucht es da­zu nur kur­ze Sai­ten. Geht es um die un­ver­fälsch­te Mu­sik­wie­der­ga­be, sind wir mit dem glei­chen Prin­zip auch beim Laut­spre­cher kon­fron­tiert. Wirk­lich gut kann er nur tie­fe Tö­ne wie­der­ge­ben, wenn er groß ist. Für ho­he Tö­ne eig­net er sich nicht wirk­lich. Nach dem glei­chen Prin­zip sind klei­ne Laut­spre­cher bes­ser für ho­he, als für nied­ri­ge Fre­quen­zen ge­eig­net. Des­halb wird im Hi-fi-be­reich die Wie­der­ga­be

des hör­ba­ren Fre­quenz­spek­trums auf meh­re­re Laut­spre­cher auf­ge­teilt, et­wa auf Hoch-, Mit­tel- und Bass­laut­spre­cher. In den Bo­xen sor­gen so ge­nann­te Fre­quen­zwei­chen da­für, dass je­der Laut­spre­cher nur je­nes Fre­quenz­spek­trum zu­ge­spielt be­kommt, wo­für er aus­ge­legt ist. Die Ein­tei­lung, wel­cher Teil des Hör­spek­trums ei­ner be­stimm­ten Laut­spre­cher­ty­pe zu­fällt, ist nicht ge­normt, wes­halb die fol­gen­de Ein­tei­lung nur als gro­ber Richt­wert zu ver­ste­hen ist. Wel­che und wie vie­le ver­schie­de­ne Laut­spre­cher in ei­ner Box ein­ge­baut wer­den, hängt auch von des­sen Ein­satz­zweck ab. So er­fül­len et­wa die Bo­xen ei­ner Heim­ki­no-an­la­ge un­ter­schied­li­che Auf­ga­ben, die sich auch in den von ih­nen ab­ge­deck­ten Fre­quenz­be­rei­chen wi­der­spie­geln.

Laut­spre­cher-wir­kungs­grad

Als Wir­kungs­grad be­zeich­net man das Ver­hält­nis zwi­schen zu­ge­führ­ter und ab­ge­ge­be­ner Leis­tung. Da je­des Ge­rät auch Ver­lus­te hat, ist die ab­ge­ge­be­ne Leis­tung stets ge­rin­ger als die zu­ge­führ­te. Was vie­len gänz­lich un­be­kannt ist: Der Wir­kungs­grad ei­nes üb­li­chen Laut­spre­chers ist ex­trem ge­ring. Er be­trägt im Mit­tel nur 0,1 bis 1 Pro­zent! Das heißt, dass 99 Pro­zent in Ver­lust­wär­me um­ge­wan­delt wer­den. Nur elek­tro­dy­na­mi­sche Laut­spre­cher sind et­was bes­ser. Sie brin­gen es auf 0,2 bis 5 Pro­zent. Die üb­li­chen Wir­kungs­grad-wer­te für Hi­fi-laut­spre­cher und Stu­dio­mo­ni­to­re lie­gen zwi­schen 0,2 und 2 Pro­zent. Was Wir­kungs­gra­den von 0,002 bis 0,02 ent­spricht. Die Ver­lust­wär­me ei­nes Laut­spre­chers ent­steht groß­teils in der Schwings­pu­le, die im schma­len Spalt des Ma­gne­ten ein­ge­baut ist. Hier kann sie, wenn der Laut­spre­cher zu stark be­las­tet wird, leicht über­hit­zen und durch­bren­nen, was letzt­lich den Tod des Laut­spre­chers be­deu­tet. Laut­spre­cher und Ver­stär­ker müs­sen al­so zu­sam­men­pas­sen. Wer­den an ei­nen Ver­stär­ker un­ter­di­men­sio­nier­te Laut­spre­cher an­ge­schlos­sen, wer­den die­se über­las­tet, soll­te der Laut­stär­ke­reg­ler zu sehr auf­ge­dreht wer­den. Nett zu wissen: Wür­de ein Laut­spre­cher ei­nen Wir­kungs­grad von 100 Pro­zent ha­ben, könn­te man ei­nen Raum mit 1 Watt Ein­gangs­leis­tung mit 104 db Schall­druck be­spie­len.

Kenn­schall­druck

An­statt des Wir­kungs­grads wird beim Laut­spre­cher der Kenn­schall­druck an­ge­ge­ben. Er wird in 1 Me­ter Ent­fer­nung vom Laut­spre­cher ge­mes­sen, wäh­rend die­ser mit ei­ner Ein­gangs­leis­tung von 1 Watt be­las­tet wird. Der Kenn­schall­druck wird in db/w/m an­ge­ge­ben. Er ist in­so­fern re­le­vant, weil da­von bei ge­ge­be­ner Be­last­bar­keit die ma­xi­mal er­reich­ba­re Laut­stär­ke ab­hängt. Hat ein Laut­spre­cher ei­nen ge­rin­gen Kenn­schall­druck ist mit ihm trotz hö­he­rer Watt­zahl mit­un­ter ei­ne deut­lich ge­rin­ge­re Ma­xi­mallaut­stär­ke er­reich­bar als mit ei­nem ge­rin­g­er­wat­ti­gen mit hö­he­rem Kenn­schall­druck. Wer al­so denkt, dass zum Bei­spiel ein 30-Watt-laut­spre­cher mit 95 db/ W/m lau­ter als ein 25-Watt-mo­dell mit 101 db/w/m ist, der irrt.

Be­last­bar­keit

Die Be­last­bar­keit ei­nes Laut­spre­chers wird durch die im Be­reich der Spu­le ent­ste­hen­de Ver­lust­wär­me und durch die Aus­len­kung der Mem­bra­ne be­grenzt. Bei zu ho­her ther­mi­scher Be­las­tung kann die Spu­le durch­bren­nen. Bei zu stark auf­ge­dreh­tem Ver­stär­ker wird die Mem­bran bis über ih­re Gren­zen me­cha­nisch be­las­tet und kann rei­ßen. Was ins­be­son­de­re bei tie­fen Fre­quen­zen, und so­mit bei Bass­laut­spre­chern, der Fall sein kann. Wie stark ein Laut­spre­cher be­an­sprucht wird, hängt auch von der Art des wie­der­zu­ge­ben­den Si­gnals ab. Üb­li­che Mu­sik­si­gna­le äh­neln in ih­rer Zu­sam­men­set­zung im zeit­li­chen Mit­tel dem Ro­sa Rau­schen. Was ei­nen Laut­spre­cher eher we­ni­ger be­las­tet. Ei­ne ech­te Her­aus­for­de­rung für ihn sind aber Si­nus­si­gna­le, Stich­wort: 1-khz­pfeif­ton. Sie sor­gen vor al­lem bei Hoch- und Mit­tel­tö­nern für sehr gro­ße Aus­len­kun­gen. Wei­ter spielt auch die Dau­er der Laut­spre­cher­über­las­tung ei­ne Rol­le. Da die Schwings­pu­le bei ei­nem Tief­tö­ner mas­si­ver aus­ge­führt ist, braucht sie län­ger, um sich zu er­wär­men. Wo­mit sie Über­las­tun­gen bis zu et­wa 30 Se­kun­den zu­min­dest ther­misch weg­zu­ste­cken ver­mag. Die Spu­len von Mit­tel- und vor al­lem Hoch­tö­nern sind un­gleich zier­li­cher auf­ge­baut. Für sie kann be­reits ei­ne sehr kur­ze zeit­li­che Über­las­tung zu ei­nem nicht re­pa­rier­ba­ren Scha­den füh­ren.

Mit der Si­cke ist die Mem­bran am Laut­spre­cher­korb be­fes­tigt

Der Ko­nu­s­laut­spre­cher ist der am häu­figs­ten ge­nutz­te Laut­spre­cher­typ

Auf­bau ei­nes Laut­spre­chers

Ver­hält­nis zwi­schen Wir­kungs­grad und Kenn­schall­druck

Ka­lot­ten­laut­spre­cher kom­men als Hoch- und Mit­tel­tö­ner zum Ein­satz

Die Staub­schutz­ka­lo­t­te schützt die Spu­le vor Schmutz

Die Zen­trier­mem­bran hält die Spu­le im Luft­spalt des Ma­gne­ten

Der Ma­gnet ist an der Spit­ze des Laut­spre­cher­korbs mon­tiert

Die Gra­fik zeigt, wie in ei­ner Box die der Hoch-, Mit­tel- und Tief­tö­ner das Fre­quenz­spek­trum be­die­nen.

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