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.
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.