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Lautsprecher
Lautsprecher
Funktionsweise und Anwendung
1
Lautsprecher
0.
Inhaltsverzeichnis:
1.
Theoretische Grundlagen
1.1. Grundbegriffe
1.2. Schallpegel
1.3. Schallausbreitung
1.4. Frequenzgang
1.5. Technische Daten von Lautsprechern
1.5.1. Belastbarkeit
1.5.2. Übertragungskurve, Frequenzgang
1.5.3. Mittlerer Kennschalldruck
1.5.4. Wirkungsgrad
1.5.5. Richtcharakteristik, Richtdiagramm
1.5.6. Gleichstromwiderstand
1.5.7. Impedanz
1.5.8. Impedanzverlauf
1.5.9. Resonanzfrequenz
1.5.10.
Q-Faktoren
1.5.11.
Effektive Membranfläche
1.5.12.
Nachgiebigkeit
1.5.13.
Äquivalentes Luftnachgiebigkeitsvolumen
1.6. Klangverfälschungen
1.6.1. Klangverfärbungen
1.6.2. Partialschwingungen
1.6.3. Interferenzen
1.6.4. Dopplerverzerrungen
1.6.5. Klirrfaktor
1.6.6. Intermodulation
1.7. Schallwandler
2.
Aufbau und Funktionsweise von verschiedenen Lautsprechertypen
2.1. Dynamische Lautsprecher (Tauchspul – Prinzip)
2.1.1. Tauchspulprinzip
2.1.1.1. Konuslautsprecher
2.1.1.2. Flachlautsprecher
2.1.1.3. Kalottenlautsprecher
2.1.1.4. Druckkammerlautsprecher, Treiber
2.1.2. Bändchenlautsprecher
2.1.3. Isodynamische Lautsprecher
2.2. Elektrostatische Lautsprecher
2.3. Piezoelektrische Lautsprecher
2.4. Ionenlautsprecher
2.5. Magnetische Wandler
2
Lautsprecher
3.
3.1.
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.
Frequenzweichen und Gehäuse
Frequenzweichen
Gehäuse
Geschlossene Gehäuse
Bassreflexgehäuse
Sonstige Gehäuse
4.
4.1.
4.1.1.
4.1.2.
4.1.3.
4.1.4.
4.1.5.
Beispiel einer neueren Anwendung von Lautspechersystemen:
HomeCinema
HomeCinema mit DolbySurround Pro-Logic und Dolby Digital
Vom Kinoerlebnis zum HomeCinema-System
Die HomeCinema-Lautsprecher
Platzierung der Lautsprecher
Anforderungen an den Raum
Dolby Digital 5.1
5.
Konstruktion einer Mehrwegbox (Center – Speaker)
6.
Quellenverzeichnis
3
Lautsprecher
1.
Theoretische Grundlagen:
1.1.
Grundbegriffe:
1.2.
-
Schall:
Schallwellen sind Druckschwankungen in einem elastischen Medium. Durch
äußere Anregung aus ihrer Gleichgewichtslage geraten einzelne Teilchen des
Mediums, das sowohl gasförmig, flüssig als auch fest sein kann, in Bewegung. Sie
schwingen periodisch um ihren Ausgangsort hin und her und übertragen die
Bewegung durch Stöße auf ihre benachbarten Teilchen. Dies bewirkt eine
Verdichtung bzw. Verdünnung der Materie und somit die Fortpflanzung des
Schalls.
Man unterscheidet Luftschall (Schwingung von Masseteilchen in der Luft) und
Körperschall (Schwingung innerhalb eines festen Körpers).
Im Vakuum gibt es aufgrund der fehlenden Materie keine Schallausbreitung.
Das menschliche Gehör nimmt als Schall also eigentlich nur
Luftdruckunterschiede wahr, die dem natürlichen Luftdruck überlagert sind.
Unterschiede bei denen sich der Luftdruck weniger als 20 mal und mehr als 20000
mal pro Sekunde ändert sind vom menschlichen Gehör nicht mehr wahrnehmbar.
-
Die Häufigkeit mit der sich der Luftdruck ändert wird als Frequenz in
der Einheit Hertz (Hz) bezeichnet (→ Hörbereich: 20 Hz bis 20 kHz).
-
Die Auslenkung der schwingenden Teilchen aus ihrer Ruhelage wird als
Amplitude bezeichnet. Je größer die Amplitude, desto größer die Lautstärke.
-
Der von einer Schwingung mit einer einzigen bestimmten Frequenz erzeugte
Schall wird als Ton bezeichnet.
-
Die Gesamtheit eines einzelnen Tones und seiner Obertöne (bis zu 20) wird als
Klang bezeichnet.
-
Sind in einem bestimmten Bereich alle Frequenzen vorhanden, so spricht man von
einem Geräusch (Rauschen, Knall, ...).
Schallpegel:
Als Schallpegel L bezeichnet man die Druckänderung, die durch die schwingenden
Luftmoleküle verursacht wird.
Die vom menschlichen Gehör erfassbaren Schalldrücke befinden sich im Bereich von
10-5 bis 102 Pa. Das entspricht einem Faktor von 1.000.000. Deshalb führt man die
logarithmische Verhältnisgröße Dezibel (dB) ein, um leichter Rechnen zu können. Als
Bezugsgröße wählt man hier 2 • 10-5 Pa (entspricht 0 dB).


p
 ⋅ dB
L = 20 ⋅ 
−5
 2 ⋅ 10 Pa 
p: Schalldruck
4
Lautsprecher
Daraus ergibt sich für den gerade noch wahrnehmbaren Schalldruck von 10-5 Pa ein
Pegel von –6 dB und für die Schmerzgrenze von 102 Pa ein Pegel von 134 dB.
Ein Unterschied von 10 dB entspricht der doppelten Lautstärke. Ein Unterschied von 3
dB ist deutlich hörbar.
1.3.
Schallausbreitung:
Punktförmige Schallquellen senden Kugelwellen aus. Als punktförmige Schallquellen
werden solche angesehen, deren Ausdehnung sehr viel geringer ist als die Wellenlänge
des abgestrahlten Schalls.
Für die Wellenlänge gilt:
v =λ⋅ f
v = Schallgeschwindigkeit (in Luft 343m/s)
λ = Wellenlänge in m
f = Frequenz in Hz
Große Tieftonlautsprecher (Durchmesser > 30cm) können als punktförmige
Schallquellen angesehen werden, wenn sie Frequenzen um etwa 30Hz (λ ca. 10m)
abstrahlen. Bei Hochtonlautsprechern, die bei ca. 10kHz (λ ca. 3,4cm) abstrahlen,
kann eine kugelförmige Abstrahlung jedoch nur durch extrem kleine Membranen
erreicht werden. Sobald die Membran größer als die Wellenlänge ist, erhält man
gerichtete Schallabstrahlung.
Schallwellen, die auf Öffnungen in einer Wand treffen, breiten sich dahinter
kugelförmig aus, wenn die Öffnung kleiner als die Wellenlänge der Schallwellen ist
(Prinzip der Beugung). Dabei kann man diese Öffnung als punktförmige Schallquelle
ansehen. An Öffnungen die größer als die Wellenlänge sind, findet keine Beugung
statt, so daß sich die Schallwellen dahinter gleichmäßig ausbreiten.
Abblidung: 1-1
Schallwellen können auch an Hindernissen reflektiert werden, daher kann es in
Räumen zur Ausbildung von stehenden Wellen kommen. Vorraussetzung dafür ist,
daß die Raummaße ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge sind:
l=
λ
2
λ = 2⋅l
l = Abstand der Wände
5
Lautsprecher
Abbildung: 1-2
Für die resultierende Frequenz der stehenden Welle ergibt sich dann:
fR = n ⋅
v
λ
n = 1,2,3,....
Für die Akustik haben stehende Wellen eine große Bedeutung.
Beim Lautsprecherbau sind sie teils erwünscht (Transmission-Line-Box, siehe später),
zum Teil aber auch gefürchtet (Raumresonanzen).
1.4.
Frequenzgang
Bei den meisten Lautsprechern sorgt eine schwingende Membran für die
Schallabstrahlung. Die Membran kann zwar verschiedene Formen haben, wirkt jedoch
immer wie ein Kolben, der vor und zurück schwingt. Die entstandenen Schallwellen
breiten sich über die angrenzende Luft aus.
Die Membran entzieht Energie aus dem schwingenden System und gibt diese in Form
von akustischer Energie an die Luft ab. Der Strahlungswiderstand Zr gibt dabei an,
wie effektiv die Umwandlung von mechanischer in akustische Energie stattfindet.
Er teilt sich auf in:
-
Wirkanteil (Schallabstrahlung) und
Blindanteil (kann als Luftzug vor Baßlautsprechern wahrgenommen werden, trägt
nicht zur Schallabstrahlung bei).
Der Strahlungswiderstand einer Membran ist abhängig von der Membranfläche (je
größer die Fläche desto größer der Strahlungswiderstand) und frequenzabhängig und
hat daher eine große Bedeutung für den Frequenzgang eines Lautsprechers.
Abbildung: 1-3
6
Lautsprecher
Wichtig für den Frequenzgang eines Lautsprechers ist jedoch auch die von der
Membran abgestrahlte akustische Leistung. Diese ist abhängig vom
Strahlungswiderstand Zr und Membrangeschwindigkeit vM. Die Geschwindigkeit ist
bei der sogenannten Resonanzfrequenz fS maximal.
Es gilt:
Pak ~ Z r ⋅ vM 2
Abbildung: 1-4
Die Frequenzabhängigkeit von vM wirkt sich über die quadratische Beziehung noch
stärker aus. Der Strahlungswiderstand Zr verläuft jedoch entgegengesetzt (steigt
quadratisch mit der Frequenz an).
Im vorhergehenden Diagramm erkennt man zwei verschiedene Fälle:
1. unterhalb der Resonanzfrequenz fS:
Die
Membrangeschwindigkeit
ist
hier
proportional
f,
der
Strahlungswiderstand ist proportional f². Daraus ergibt sich die Gleichung:
Pak ~ f 2 ⋅ f 2
Die akustische Leistung steigt also mit der vierten Potenz (das entspricht
12dB pro Oktave) an
2. oberhalb der Resonanzfrequenz fS:
Die Membrangeschwindigkeit ist hier proportional 1/f, der
Strahlungswiderstand ist proportional f². Daraus ergibt sich die Gleichung:
Pak ~ f 2 ⋅
1
f
2
=1
7
Lautsprecher
Die akustische Leistung ist in diesem Bereich frequenzunabhängig. Genau
hier liegt der eigentliche Arbeitsbereich eines Lautsprechers. Er beginnt mit
der Resonanzfrequenz und endet dort, wo der Strahlungswiderstand nicht
mehr mit der Frequenz ansteigt (z.B. Tieftonlautsprecher mit 30cm
Durchmesser bis ca. 1kHz).
Die folgende Abbildung zeigt einen vereinfachten Frequenzgang eines dynamischen
Lautsprechers:
Abbildung: 1-5
Man erkennt vier Bereiche:
A) Der Schallpegel steigt mit 12dB pro Oktave an.
B) In diesem Bereich liegt die Resonanzfrequenz. Die Frequenzgänge verschiedener
Lautsprecher weichen hier stark von voneinander ab. Grund hierfür ist unter
anderem die Dämpfung der Membran. Da eine Membran nach einem kurzen
Impuls aufgrund ihrer Masse mit ihrer Eigenresonanzfrequenz nachschwingt, muß
dieser unerwünschte Effekt verringert werden.
Die untere Kurve zeigt einen Lautsprecher mit großer Dämpfung, die obere einen
Lautsprecher mit kleiner Dämpfung. Beide Lautsprecher haben Vor- und
Nachteile. Die geringe Dämpfung bewirkt eine stärkere Abstrahlung von tiefen
Frequenzen. Die Wiedergabe ist jedoch nicht sauber, da kurze Impulse ein längeres
Ausschwingen nach sich ziehen. Die hohe Dämpfung verhindert dieses
Ausschwingen zwar größtenteils, dafür werden tiefe Frequenzen aber weniger
stark angestrahlt.
Die Dämpfung wird einerseits mit Hilfe mechanischer Reibung in der
Membraneinspannung erzeugt oder andererseits durch die Spule selbst, die
sogenannte elektrische Bedämpfung. Bei Tieftonlautsprechern wirkt sich die
elektrische Bedämpfung viel stärker aus. Sie entsteht durch die Bewegung der
Spule im Magnetfeld, wodurch ein Strom in ihr induziert wird. Dieser fließt durch
Spule, Lautsprecherzuleitungen und den geringen Verstärkerinnenwiderstand und
übt so eine hemmende Kraft auf die Spule aus (vergleiche Fahrraddynamo).
Damit dieser induzierte Gegenstrom ungehindert fließen kann, ist für ausreichend
dicke Lautsprecherkabel zu sorgen.
Maß für die Dämpfung ist die Güte Q. Sie entspricht der Güte eines
Schwingkreises bei dem im Gegensatz zu einem Lautsprecher bei der
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Lautsprecher
Eigenfrequenz eine möglichst geringe Bedämpfung stattfinden soll.
Dementsprechend gilt für einen Schwingkreis, daß eine hohe Güte einem kleinen
Dämpfungswert entspricht. Bei Lautsprechern ist eine große Güte jedoch nicht
vorteilhaft. Als günstiger Kompromiß zwischen Frequenzgang und
Ausschwingverhalten wird ein Gütewert Q von ca. 1/√2 = 0,707 angesehen. Dieser
Wert gilt für den eingebauten Lautsprecher, da sie der Q-Wert beim Einbau des
Lautsprechers in ein Gehäuse verändert.
C) Der Schallpegel ist annähernd frequenzunabhängig.
D) Die Schalleistung fällt mit steigender Frequenz ab. Die Steilheit hängt von
mehreren Faktoren ab:
1. Der Strahlungswiderstand nimmt ab einer bestimmten Frequenz nicht weiter
zu. Deshalb macht sich die Abnahme der Membrangeschwindigkeit
bemerkbar.
2. Die Impedanz der Schwingspule steigt an, wodurch weniger elektrische
Leistung aufgenommen wird.
3. Bei hohen Frequenzen kann es vorkommen, daß nur noch die Spule und die
Staubschutzkalotte schwingen, nicht mehr die gesamte Membran. Das führt zu
einer Verringerung der effektiven Membranfläche und einer Erweiterung des
Frequenzbereichs nach oben.
1.5.
Technische Daten von Lautsprechern:
1.5.1. Belastbarkeit:
a) Nennbelastbarkeit:
Unter der Nennbelastbarkeit eines Lautsprechers versteht man die elektrische
Leistung, die der Lautsprecher im Dauerbetrieb verträgt.
Um sie zu ermitteln wird der Lautsprecher über eine Dauer von 300 Stunden mit
einem bestimmten Rauschsignal belastet. Dieses Rauschsignal besteht nach DIN
45573 aus einem 1-min-An- / 2-min-Aus-Takt und soll ein typisches Musik- bzw.
Sprachprogramm simulieren. Daher sind bei diesem Signal die hohen Frequenzen
um einiges schwächer vertreten als die tieferen. Hochtöner, die nach dieser Norm
gemessen werden, werden deshalb nur mit ca. 10% der Gesamtleistung des
Rauschsignals belastet.
Lautsprecher mit gleicher Nennbelastbarkeit nach DIN können problemlos
kombiniert werden. Dabei ist zu beachten, daß z.B. ein Hochtöner mit 100 W
Nennbelastbarkeit nach DIN in Wirklichkeit nur mit etwa 10% dieser Leistung
belastet werden darf. Dies ist für normale Musikwiedergabe auch ausreichend
(siehe Tabelle unten), gilt aber nicht für Musikerlautsprecher. Die Angabe der
Belastbarkeit erfolgt hier aufgrund der höheren Anforderungen an die
Lautsprecher mit Hilfe der Nominalbelastbarkeit, d.h. der Leistung, die der
einzelne Lautsprecher allein erhalten darf.
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Lautsprecher
Übergangsfrequenz
Leistung
unterhalb
der Leistung
oberhalb
Übergangsfrequenz (%)
Übergangsfrequenz (%)
150
20
80
200
28
72
300
45
55
500
60
40
1000
75
25
3000
80
20
5000
90
10
Leistungsverteilung innerhalb des Frequenzbereichs bei normalem Programmmaterial
der
b) Impulsbelastbarkeit:
Die Impulsbelastbarkeit entspricht der Leistung, die maximal 2 Sekunden lang
dem Lautsprecher zugeführt werden kann, ohne daß dieser beschädigt wird und die
Qualität der Wiedergabe hörbar beeinträchtigt wird.
1.5.2. Übertragungskurve, Frequenzgang:
Die Übertragungskurve oder der Frequenzgang gibt den frequenzabhängigen
Schalldruckpegel eines Lautsprechers an. Es gibt drei Meßmethoden um die
Übertragungskurve aufzuzeichnen:
a) Gleitender Sinus:
An den Lautsprecher wird ein sogenanntes gleitendes Sinussignal (das Sinussignal
wird durch den Frequenzbereich von 20 Hz bis 40 kHz geführt) mit einer Leistung
von 1 W angelegt. Der abgestrahlte Schallpegel wird mit einem Meßmikrophon im
Abstand von 1 m aufgenommen, anschließend verstärkt und mit einem
Pegelschreiber aufgenommen. Um korrekte Werte zu erhalten, muß man sich dazu
an einem geeigneten Meßort befinden, an dem keine Reflexionen benachbarter
Wände das Mikrophon erreichen können. Ansonsten können stehende Wellen
entstehen, welche als Folge Einbrüche von 20 bis 30 dB im Frequenzgang
verursachen können. Aufgrund dieser Problematik läßt man Lautsprecher deshalb
im Freien nach oben abstrahlen oder führt die Messung in einem reflexionsarmen
Raum durch. Um Frequenzen unter 100 Hz messen zu können, müssen diese
Räume jedoch sehr groß sein, was mit enormen Kosten verbunden ist.
b) Gewobbelter Sinus:
Das an den Lautsprecher angelegte Meßsignal entspricht hier einem Signal, bei
dem die Frequenz sehr schnell um einen Mittelwert schwankt. Dieses Signal
bewirkt eine Frequenzgang-Glättung, wodurch durch den Meßraum verursachte
Störungen größtenteils unterdrückt werden.
c) Rosa Rauschen:
Dieses Signal besteht aus einem Rauschen mit gleichmäßigem Spektrum über den
gesamten Tonfrequenzbereich. Diese Meßmethode ist besonders geeignet, um
Frequenzgänge fertiger Boxen zu messen bzw. auch den Einfluß des
Aufstellungsortes der Box sichtbar zu machen, da auch die Raumeinflüsse in die
Messung miteingehen.
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Lautsprecher
1.5.3. Mittlerer Kennschalldruck:
Der mittlere Kennschalldruck (in dB) ist der über den linearen Teil des
Frequenzganges gemittelte Schallpegel.
1.5.4. Wirkungsgrad:
Der in Prozent angegebene Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgestrahlter
akustischer Leistung zur elektrischen Eingangsleistung.
1.5.5. Richtcharakteristik, Richtdiagramm:
Abbildung: 1-6
Um die Richtcharakteristik eines Lautsprechers zu ermitteln, wird ein sogenanntes
Richtdiagramm erstellt. Dazu wird ein Lautsprecher im reflexionsarmen Raum auf
einem Drehteller einmal um seine eigene Achse gedreht und für festgelegte
Frequenzen der Pegel in Abhängigkeit vom Winkel aufgezeichnet. Mit Hilfe der
Kurvenform des Diagramms läßt sich dann die Richtcharakteristik des Lautsprechers
ableiten.
11
Lautsprecher
Man unterscheidet Kugel- (rundum strahlend), Keulen- (stark gerichtet) und Dipolbzw. Achtercharakteristik (nach vorne und hinten gleichstark).
Für HiFi-Anwendungen verwendet man beispielsweise Lautsprecher mit
Kugelcharakteristik, für Dolby Surround Effekt-Boxen Lautsprecher mit
Dipolcharakteristik und für Disco-Anwendungen vorteilhaft Lautsprecher mit
Keulencharakteristik (um die Abstrahlung möglichst auf Tanzfläche zu begrenzen).
1.5.6. Gleichstromwiderstand RDC:
Unter dem Gleichstromwiderstand RDC versteht man den ohm’schen Widerstand der
Schwingspule.
1.5.7. Impedanz:
Die Impedanz Z (in Ω) ist der frequenzabhängige Widerstand eines Lautsprechers. Sie
steigt mit zunehmender Frequenz aufgrund der Schwingspuleninduktivität an.
Normalerweise wird die Nennimpedanz eines Lautsprechers angegeben (4 Ω oder 8
Ω). Dabei darf nach der Norm die Impedanz im Übertragungsbereich nicht weiter als
20% unter der Nennimpedanz liegen (entsprechend bei 4 Ω minimal 3,2 Ω und bei 8
Ω minimal 6,4 Ω).
1.5.8. Impedanzverlauf:
Abbildung: 1-7
Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Impedanzverlauf eines Tieftöners. Kann die
Schwingspule frei schwingen, so hat der Impedanzverlauf bei der Resonanzfrequenz fS
(siehe weiter unten) eine starke Überhöhung. Der Anstieg der Impedanz bei hohen
Frequenzen wird ebenfalls sichtbar. Er kann durch ein RC-Glied (parallel zum
Lautsprecher) oder einen Impedanz-Kontrollring kompensiert werden (sinnvoll bei
Verwendung einer Frequenzweiche um Abweichungen der Impedanz von der
Nennimpedanz bei der Trennfrequenz auszugleichen).
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Lautsprecher
1.5.9. Resonanzfrequenz:
Die Frequenz, bei der ein Lautsprecher sein erstes Impedanzmaximum erreicht, heißt
Resonanzfrequenz.
Messaufbau zur Bestimmung der Resonanzfrequenz:
Abbildung: 1-8
Von der Resonanzfrequenz spricht man, wenn am Voltmeter maximale Spannung
angezeigt wird.
1.5.10. Q-Faktoren:
Man unterscheidet drei Q-Faktoren:
a) Mechanischer Q-Faktor QMS
Er erfaßt die mechanische Reibung (z.B. durch Sicke und Zentriermembran).
b) Elektrischer Q-Faktor QEL
Er beschreibt die bei niederohmiger Ansteuerung entstehende Dämpfung des
Magnetfelds (siehe Kapitel 1.4.).
c) Gesamt-Q-Faktor QTS
Er enthält beide Einzelfaktoren und ist entscheidend für Frequenzgang und Einund Ausschwingverhalten bei der Resonanzfrequenz.
QTS = QMS ⋅
QEL
QMS + QEL
1.5.11. Effektive Membranfläche SD (in cm²):
Als effektive Membranfläche bezeichnet man die Fläche, die zur Schallabstrahlung
beiträgt. Ihre äußere Begrenzung ist die Mitte der Sicke.
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Lautsprecher
1.5.12. Nachgiebigkeit CMS:
Die Nachgiebigkeit ist ein maß dafür, wie steif die Membran aufgehängt ist. Je größer
die Nachgiebigkeit, desto weicher die Membraneinspannung und desto kleiner die
Resonanzfrequenz fS.
1.5.13. Äquivalentes Luftnachgiebigkeitsvolumen VAS:
Das äquivalente Luftnachgiebigkeitsvolumen VAS berechnet sich aus effektiver
Membranfläche und Nachgiebigkeit und wird in Liter angegeben. Hat ein
Lautsprecher z.B. ein VAS von 100 Litern, so entspricht die Nachgiebigkeit seiner
Einspannung der eines geschlossenen Luftvolumens von 100 Litern das auf eine
Membran der gleichen Fläche wirkt.
1.6.
Klangverfälschungen:
Lautsprecher haben die Aufgabe elektrische Signale in akustische Signale
umzuwandeln. Dabei müssen relativ große Massen stark beschleunigt werden,
wodurch sich verschiedene negative Effekte ergeben. Im folgenden werden nun die
wichtigsten Störeffekte erläutert.
1.6.1. Klangverfärbungen:
Man spricht von Klangverfärbungen, wenn der abgestrahlte Schalldruck hörbar
frequenzabhängig ist.
Durch Verfärbungen wird der Klang oft als dumpf (fehlende Höhen), mulmig
(Frequenzbereich um 150 Hz zu stark), agressiv (Mittenbereich 1 KHz bis 5 KHz zu
stark), hohl (Frequenzeinbruch im Mittenbereich), näselnd (unruhiger Frequenzgang
im Mittenbereich) oder spitz bzw. schrill (Überbetonung der Höhen) empfunden.
Anhand des Frequenzgangs (gemessen mit Rauschen oder gewobbeltem Sinus) lassen
sich Klangverfärbungen relativ leicht beurteilen.
Es ist aber zu beachten, daß Klangverfärbungen nicht nur durch den Lautsprecher
verursacht werden können, sondern auch durch den Abhörraum.
1.6.2. Partialschwingungen:
Man geht davon aus, dass sich eine Membran normalerweise – egal ob Konus- ,
Kalotten- oder Flachmembran – kolbenförmig, d.h. in sich starr, vor- und
zurückbewegt. Da sich im Membranmaterial, von der Antriebsspule ausgehend,
Wellen zum Rand hin fortpflanzen, ist diese Annahme in der Praxis meist nicht
zutreffend. Die dort reflektierten Wellen überlagern sich mit der hinlaufenden Welle
14
Lautsprecher
und können so stehende Wellen (Partial- oder Eigenschwingungen) im
Membrankörper bilden. Diese haben zur Folge, dass sich ein Bereich der Membran
nach vorne und gleichzeitig ein anderer Bereich nach hinten bewegt. Die folgende
Abbildung zeigt Beispiele von diesen Bereichen:
Abbildung: 1-9
Das Ergebnis ist die teilweise Auslöschung der Schallabstrahlung, die von der
Frequenz abhängig ist. Daraus ergibt sich ein zerklüfteter Frequenzgang.
Partialschwingungen treten hauptsächlich im oberen Frequenzbereich auf, da die
Wellenlänge der in der Membran fortschreitenden Welle in der Größenordnung der
Membranabmessung liegt.
Eine durch Material oder Form möglichst steife Membran kann hier Abhilfe bieten.
1.6.3. Interferenzen:
Das Problem der Interferenz tritt vor allem beim Mehrwegsystemen auf.
Abbildung: 1-10
Bei der in Abb. 1-10 dargestellten 2-Wege – Box gibt es einen Frequenzbereich
(Übernahmebereich) in dem sowohl Tief- als Hochtöner gleich stark an der
Schallabstrahlung beteiligt sind. Unter bestimmten Winkeln können sich die
Schallanteile völlig auslöschen. Grund hierfür ist die durch unterschiedlich
zurückgelegte Wege verursachte Phasenverschiebung.
Bemerkbar machen sich Interferenzen durch einen unruhigen Frequenzgang, der
Klangverfälschungen zur Folge hat.
15
Lautsprecher
1.6.4. Dopplerverzerrungen:
Der Doppler-Effekt kann sich bei Lautsprechern störend bemerkbar machen, wenn
von einer Membran Töne verschiedener Frequenz abgestrahlt werden.
Beispiel:
Schwingt eine Membran mit großer Auslenkung bei 50 Hz und ist gleichzeitig
ein 1000 Hz – Ton überlagert, dann wandert vom Zuhörer aus gesehen die
Schallquelle des 1000 Hz – Tones fünfzig mal pro Sekunde hin und her.
Ähnlich wie bei Gleichlaufschwankungen bei einem Tonband klingt dadurch der hohe
Ton rau.
Der Doppler – Effekt ist um so größer je größer die Membranbewegung ist (also je
größer die Leistung des tiefen Tones ist). Er tritt besonders bei Breitbandlautsprechern
auf, da diese gleichzeitig sehr hohe und sehr tiefe Töne abstrahlen.
Bei Mehrwegsystem tritt der Doppler – Effekt nicht auf.
1.6.5. Klirrfaktor:
Eine Schwingspule sollte sich idealerweise völlig linear bewegen (entsprechend dem
Eingangssignal). In der Praxis ist dies nicht zu erreichen, da einerseits der Hub der
Membran so groß werden kann, dass die Spule das homogene Magnetfeld verlässt,
andererseits kann die Sicke den Hub mechanisch begrenzen. Daraus resultiert eine
Abflachung der Spitzen der Auslenkung (siehe Abb. 1-11).
Abbildung: 1-11
16
Lautsprecher
Bei einem Ton von 100 Hz zum Beispiel entstehen dadurch neue Obertöne (200 Hz,
300 Hz, ...), die sich messtechnisch nachweisen lassen. In diesem Fall spricht man von
Klirrverzerrungen. Der Klirrfaktor ist dann der Anteil der Oberwellen in Prozent.
Das menschliche Ohr kann Verzerrungen erst ab ca. 1 % Klirrfaktor deutlich
wahrnehmen. Der Klirrfaktor von Lautsprechern bewegt sich im Bereich von 2 % bis
6 %, wird aber im Vergleich zum Klirrfaktor elektronischer Komponenten als weniger
störend wahrgenommen.
1.6.6. Intermodulation:
Ein weiterer unangenehmer Nebeneffekt nichtlinearer Bewegungen der Schwingspule
sind die Intermodulationsverzerrungen. Strahlt die Membran zum Beispiel wieder 50
Hz und 1000 Hz gleichzeitig ab, so wird die hohe Frequenz verzerrt abgestrahlt, wenn
der 50 Hz – Ton infolge des großen Hubes eine abgekappte Membranbewegung
verursacht. Dadurch entstehen folgende Mischfrequenzen:
1000 Hz – 50 Hz = 950 Hz
1000 Hz + 50 Hz = 1050 Hz
Die Intermodulationverzerrungen entstehen aber nur dann, wenn mehrere Töne
verschiedener Frequenz abgestrahlt werden und die Membran dem Spulenstrom nicht
linear folgen kann.
Der Doppler – Effekt tritt im Gegensatz dazu aber auch bei völlig linearen
Verhältnissen auf. Die Intermodulationverzerrungen sind jedoch störender, da
Frequenzen entstehen, die in einem musikalischen Klang normalerweise nicht
vorkommen.
1.7.
Schallwandler:
Die Wechseldrücke von Schallwellen überspannen einen Wertebereich von mehr als 6
Zehnerpotenzen. Daher müssen Schallwandler in diesem großen Bereich den
Schallwechseldruck oder die damit verbundene Schallschnelle über ein mechanisches
Schwingungssystem (z.B. Membran) in eine elektrische Spannung umwandeln
können.
Man unterscheidet Schallempfänger (Mikrofone), die den Schalldruck in elektrische
Spannung umwandeln, und Schallgeber (Lautsprecher), die elektrische Leistung in
Schallleistung wandeln.
Die verschiedenen Wandler unterscheiden sich im Absolutwert und der
Frequenzabhängigkeit des Wandlerwirkungsgrades, aber auch in ihrer mechanischen
Empfindlichkeit und ihrer Schalldruckbelastbarkeit.
17
Lautsprecher
2.
Aufbau und Funktionsweise von verschiedenen Lautsprechertypen:
2.1.
Dynamische Lautsprecher:
Die folgende Abbildung zeigt das Prinzip nach dem alle elektrodynamischen Wandler
arbeiten.
Ein stromdurchflossener Leiter ist beweglich in einem Magnetfeld aufgehängt. Durch
den im Leiter fließenden Strom I wird ein Magnetfeld erzeugt, das sich mit dem Feld
des Magneten überlagert.
Die daraus resultierende Lorentzkraft Fl bewirkt eine Bewegung des Leiters. Je größer
die Induktion B und die Leiterlänge l sind, um so größer ist die Antriebskraft.
Abbildung: 2-1
2.1.1. Tauchspulprinzip:
Die meisten Lautsprecher (Konus- , Flachmembran-, Kalottenlautsprecher) sind
Tauchspulenlautsprecher. Der Leiter wird durch eine Spule ersetzt und in ein
ringförmiges Magnetfeld eingetaucht (siehe Abbildung).
Dadurch kann die Leiterlänge fast beliebig gesteigert werden (z.B. Tieftonlautsprecher
ca. 10m). Die bewegte Masse der Spule darf jedoch nicht zu groß werden, wodurch
die Leiterlänge dann doch begrenzt wird.
Spule und Membran bilden ein schwingungsfähiges System vergleichbar mit einer
Kugel die an einer Stahlfeder hängt (Feder – Masse – System).
Sie sind elastisch durch Zentriermembran und Sicke eingespannt.
Ähnlich wie bei einem Feder-Masse-System schwingt auch die Schwingspule mit
einer Resonanzfrequenz fs, welche abhängig von der Masse der Spule und der Härte
der Feder (Sicke) ist.
Die Resonanzfrequenz sinkt bei schwerer Spule und/oder wenn die Federwirkung der
Sicke schwächer wird. Sie steigt an bei leichterer Spule und/oder strammerer Sicke (fs
ist eine sehr wichtige Größe für die Auswahl eines Chassis, vor allem bei Tieftöner).
18
Lautsprecher
Abbildung: 2-2
2.1.1.1.
Konuslautsprecher:
Der Konuslautsprecher ist der am häufigsten verwendete Tauchspulenlautsprecher.
Die folgende Abbildung zeigt den grundsätzlichen Aufbau.
Abbildung: 2-3
a) Lautsprecherkorb:
Der Lautsprecherkorb dient zur Befestigung und Zentrierung des Schwingeinsatzes
und des Magnetsystems sowie zum Einbau in das Gehäuse. Bei hochwertigen
Lautsprechern besteht er meistens aus Aluminiumguß, wodurch eine geringe
Eigenresonanzbildung erreicht wird und ein Verziehen des Korbes bei hohen
Belastungen vermieden wird.
19
Lautsprecher
b) Magnet:
Durch den Magnet wird ein magnetisches Feld im Luftspalt erzeugt. Je stärker das
Feld, umso besser der Wirkungsgrad und das Impulsverhalten. Aus Kostengründen
wird in den meisten Fällen Ferrit als Material benutzt. Bei höherwertigen
Lautsprechern werden, um höhere Feldstärken zu erzeugen, teuere AlNiCoMagnete und Neodym-Magnete benutzt.
c) Luftspalt:
Der Luftspalt sollte möglichst klein sein, damit die magnetische Induktion
zwischen den Spaltwänden und der Wirkungsgrad möglichst groß ist.
d) Schwingspule:
Die Schwingspule wandelt das anliegende elektrische Tonsignal wie zuvor
beschrieben in Bewegungsenergie um. In der Regel benutzt man Drähte aus
Aluminium oder Kupfer mit kreisrundem Querschnitt. Es wird jedoch auch
rechteckiger Flachdraht verwendet, um höhere Wicklungsdichten zu erreichen. Bei
Verwendung von Wabenförmigen Draht wird eine bessere Wärmeableitung
gewährleistet.
e) Spulenträger:
Durch den Spulenträger wird die Spule mit der Membran verbunden und zentrisch
im Luftspalt gehalten. Er leitet außerdem die Verlustleistung ab. Als Material wird
Papier, Kunststoff oder Aluminium verwendet, wobei Aluminium die
Verlustwärme am besten ableitet, jedoch eine größere Masse besitzt.
f) Impedanzkontrollring:
Der Impedanzkontrollring verhindert den Impedanzanstieg mit steigender
Frequenz, der durch die Induktivität der Schwingspule (bei Tieftönern ca. 1mH)
verursacht wird. Er besteht aus einem geschlossenen Kupferring der auf den
Polkern geschoben wird. Bei höheren Frequenzen wird nun ein Teil des
Wechselstroms auf den Ring transformiert (Ring entspricht einer
Sekundärwicklung mit einer Windung). Dieser Strom geht zwar als Wärme
verloren, die Impedanz bleibt aber annähernd konstant.
g) Zentriermembran:
Mit Hilfe der Zentriermembran wird der Spulenträger im Luftspalt zentriert. Sie ist
mitbestimmend für Grundresonanzfrequenz und maximale Auslenkung der
Membran. Als Material wird getränktes Gewebe verwendet.
h) Membran:
Die Membran ist der eigentliche „Lautsprecher“. Sie bringt die angrenzende Luft
zum Schwingen und sollte nach Möglichkeit leicht und steif sein (eigentlich zwei
sich widersprechende Forderungen). Sie besteht entweder aus langfaserigem
Papier, Kunststoff (PolyPropylen, Kevlar), Hartschaum (PolyStyrol) oder
Aluminium (Wabenstruktur).
20
Lautsprecher
Aufgrund konsequenter Weiterentwicklung der Papiermembran, kann sie sich
gegenüber modernen Materialen ausgezeichnet behaupten. Die Verwendung von
Polypropylen hat jedoch den Vorteil der größeren inneren Dämpfung, wodurch
Partialschwingungen verhindert werden.
Durch Beschichtung von Papiermembranen mit geeignetem Kunststoff können
unkontrollierte Eigenschwingungen bei hohen Frequenzen unterdrückt werden.
i) Sicke:
Die Sicke hält die Membran mit möglichst konstanter Federwirkung in ihrer
vorgegebenen Bewegungsrichtung. Auch sie ist wie die Zentriermembran
mitverantwortlich für Grundresonanzfrequenz und Membranhub. Als Material
wird Gummi, Schaumstoff, beschichtetes Gewebe oder Membranmaterial (bei
harter Aufhängung) verwendet.
j) Staubschutzkalotte:
Sie schützt den Luftspalt vor Verunreinigungen und drückt die heiße Luft aus den
dafür vorgesehenen Öffnungen. Bei Verwendung von Aluminium wirkt sie fest
verbunden mit dem Spulenträger auch als Kühlkörper. Sonstige Materialen sind
Konuspapier, Gewebe, Filz oder Kunststofffiber.
k) Zuleitungen:
Sie werden aus hochflexiblen Litzen hergestellt.
2.1.1.2.
Flachlautsprecher:
In fast allen theoretischen Überlegungen geht man von einer kolbenförmigen
Membran, der sogenannten Flachmembran, aus.
Sie stellt die einfachste Lösung dar, wurde in der Praxis bisher relativ selten
verwirklicht, obwohl sie doch offensichtlich viele Vorteile hat.
Die Umsetzung des Prinzips ist grundsätzlich schwieriger zu bewerkstelligen
(Membransteifigkeit gering) als bei Konuslautsprecher z.B. In neuerer Zeit kommen
daher Lautsprecher auf den Markt, bei denen mit Hilfe einer wabenförmigen Struktur
(Sandwich – Prinzip) die Membran verstärkt wird. Bei diesem Typ von Lautsprechern
muß der Antrieb an außerhalb des Zentrums liegenden, nach Knotenlinien genau
definierten kreisförmigen Bereichen erfolgen. Dies wird mit Hilfe eines entsprechend
großen Schwingspulendurchmessers oder durch einen Übertragungskonus
bewerkstelligt.
Der große Vorteil bei Flachmembranlautsprechern ist, dass die akustischen Zentren
auf der gleichen Ebene wie die Gehäusewand liegen. Dadurch wird die phasenrichtige
Anbringung einzelner Systeme in einer Kombination erleichtert, denn diese können
ohne Versatz alle in der gleichen Ebene angebracht werden.
Nachteil bei flachen Membranen sind jedoch die verstärkt auftretenden
Partialschwingungen, die in der Praxis nur mir größerem Aufwand an Bedämpfung
unterdrückt werden können (bei Konusmembranen ist eine gewisse Steife bereits
durch die Form gegeben).
Auch die Membranmasse ist im Vergleich zur Konusmembran höher.
21
Lautsprecher
Abbildung: 2-4 & 2-5
2.1.1.3.
Kalottenlautsprecher:
Kalottenlautsprecher unterscheiden sich von Konuslautsprechern eigentlich nur
dadurch, dass die Konusmembran und die Sicke weggelassen werden und der Schall
daher nur von der Staubschutzkalotte abgestrahlt wird.
Daraus resultierende Vorteile:
-
Die Kalotte bleibt in einem großen Frequenzbereich starr (aufgrund ihrer
Formgebung). Störende Partialschwingungen treten erst außerhalb des
Hörbereichs auf.
Der Abstrahlwinkel ist sehr groß.
Relativ hoher Wirkungsgrad, da die Membranmasse relativ klein ist.
Kalottenmembranen werden zur Realisierung von Mittel- und Hochtonlautsprechern
verwendet, weil die Kalotte keinen großen Hübe ausführen kann. Grund hierfür ist die
ausschließliche Randeinspannung, wodurch die Kalotte zu Taumelbewegung neigt.
Abbildung: 2-6
22
Lautsprecher
2.1.1.4.
Druckkammerlautsprecher, Treiber:
Durch die schlechte Anpassung der Membran an die Luft erreicht der normale
direktabstrahlende Lautsprecher, wie zum Beispiel der Konuslautsprecher, ein sehr
schlechten Wirkungsgrad. Nur ca. 3-5% der elektrischen Leistung wird tatsächlich
akustisch abgestrahlt. Diese Anpassung kann erheblich verbessert werden durch
Trichter oder Hörner. Die Hörner für Mittel- und Hochtonbetrieb werden in den
allermeisten Fällen mit Treibern ausgestattet, die nach dem Druckkammerprinzip
arbeiten. Die nachfolgende Abbildung beschreibt das Prinzip eines
Druckkammertreibers.
Abbildung: 2-7
Verschiebt sich die Membran M um die Länge x, wird in der Öffnung mit dem viel
kleineren Durchmesser die Luft um die Länge y bewegt. Diese Bewegung geschieht
mit höherer Geschwindigkeit als die der Membran, wodurch sich ein höherer
Schalldruck ergibt. Deshalb spricht man von einer Geschwindigkeitstransformation.
Die Grenzen dieser Transformation liegen dort, wo durch hohe
Strömungsgeschwindigkeit Verluste durch Verwirbelungen und Reibung entstehen.
Dies führt zu den sogenannten Kompressionsverzerrungen, die sich in einem höheren
Klirrfaktor bemerkbar machen.
Zudem lässt der Wirkungsgrad nach, wenn die Luft in der Kammer zu stark
komprimiert wird und dadurch der Druck der Membranbewegung nicht mehr
entsprechend an das Horn weitergegeben werden kann.
Druckkammerlautsprecher werden als Mittel- (größere Trichter) und Hochtöner
(kleinere Trichter) verwendet. Die Trichter sind in vielen Ausführungen erhältlich.
Dadurch kann eine bessere Anpassung an verschiedene Frequenzbereiche erfolgen und
verschiedene Abstrahlcharakteristiken erzielt werden.
2.1.2. Bändchenlautsprecher:
Bei Bändchenlautsprechern ist ein extrem massearmes Aluminiumbändchen zwischen
zwei entgegengesetzt gepolten Magnetplatten gespannt. Fließt ein Strom durch das
Bändchen wird es bewegt. Es handelt sich um das gleiche Arbeitsprinzip wie beim
Tauchspulenlautprecher jedoch mit dem großen Vorteil, dass Spule und Membran
identisch sind. Dadurch ist es möglich, dass die Masse der Membran wenige
Milligramm nicht übersteigt und das Bändchensystem zu den schnellsten
23
Lautsprecher
Schallwandlern gehört. Ein Abreißen des Bändchens wird durch die Riffelung (siehe
Abb.) verhindert. Das Bändchenprinzip kann jedoch nur bei Hochtönern angewandt
werden, da der max. Hub sehr klein ist.
Abblidung: 2-8
Große Nachteile des Bändchenlautsprechers sind jedoch der vergleichsweise große
Luftspalt, durch den das Magnetfeld zu schwach wird, um einen befriedigenden
Wirkungsgrad zu erreichen und die kleine Impedanz des Bändchens, die einen
Übertrager zu Anpassung an den Verstärker notwendig macht.
2.1.3. Isodynamischer Lautsprecher:
Der isodynamische Wandler (orthodynamischer Wandler oder Magnetostat) besteht
aus streifenförmigen Magneten, die auf einer durchlöcherten Polplatte aufgeklebt sind.
Sie werden in geringem Abstand zur Membran angebracht, so dass diese und die
Magnetfeldlinien parallel verlaufen. Es gibt zwei verschiedene Ausführungen dieses
Lautsprechertyps. Solche, die nur auf einer Seite Magnete haben, und solche, die
symmetrisch aufgebaut sind (Abb. 2-10). Letztere haben einen höheren Wirkungsgrad
und einen größeren Bereich in dem das Magnetfeld homogen ist.
Die hier verwendete Membran besteht aus einer hochtemperaturbeständigen, dünnen
Kunststofffolie, auf die Aluminiumleiterbahnen aufgedampft sind.
Abbildung: 2-9
24
Lautsprecher
Abbildung: 2-10
Der Leiter ist meanderförmig auf der Membran angeordnet wodurch die gesamte im
Magnetfeld verlaufende Leiterlänge sehr groß ist. Dadurch ist die Impedanz groß
genug und es wird kein Übertrager benötigt.
Auch dieses Wandlerprinzip ist wegen seiner begrenzten Membranauslenkung nur als
Hochtöner einzusetzen. Es gibt aber auch Sonderkonstruktionen mit vergrößertem
Membran – Magnet –Abstand, die als Mittel- oder gar Tieftöner arbeiten können (Fa.
Infinity, Magneplanar).
Der Wirkungsgrad ist vergleichbar mit dem Kalottenlautsprecher. Die Kraft, die die
Membran antreibt, greift auf einer großen Fläche an, wodurch die Gefahr der
Partialschwingungen sehr gering ist. Die Stärke der isodynamischen Wandler ist die
genaue Wiedergabe schneller Impulse. Auch der Impedanzverlauf ist ideal. Da die
Schwingspule kaum Induktivität aufweist, sieht der Impedanzverlauf aus wie bei
einem ohm’schen Widerstand. Das spricht für sehr gutes Phasenverhalten.
Probleme gibt es allerdings bei hohen Lautstärken, da die Membran sich nur in einem
engen Bereich im homogenen Magnetfeld bewegen kann (besonders bei
unsymmetrischer Ausführung) und dadurch hohe Pegel komprimiert werden.
Isodynamische Lautsprecher werden leicht mit Bändchenlautsprechern verwechselt.
25
Lautsprecher
2.2.
Elektrostatische Lautsprecher:
Bei elektrostatischen Wandlern wird auf eine elektrische Ladung, die sich in einem
elektrischen Feld befindet, eine Kraft ausgeübt. Die folgende Abbildung zeigt den
grundsätzlichen Aufbau.
Abbildung: 2-11
Funktionsprinzip:
Zwischen zwei Metallgittern ist eine dünne, elektrisch leitfähige Membran (meist aus
Kunststoff) eingespannt. Eine Polarisationsspannung von 1000V bis 5000V erzeugt
eine elektrische Ladung über den Widerstand R auf der Membran. Da der Widerstand
sehr groß ist, kann die Ladung nur sehr langsam wieder abfließen und somit als fast
konstant angesehen werden. Durch den Übertrager wird das Tonfrequenzsignal mit
hoher Spannung auf die Metallgitter gebracht. Diese Spannung übt auf die Ladung und
damit auch auf die Membran eine Kraft aus. Je nach Polarität der Wechselspannung
wird die Membran dadurch hin und her bewegt, und der Schall wird durch die Gitter
nach beiden Seiten abgestrahlt.
Vorteile der elektrostatischen Wandler:
-
völlig gleichmäßiger Antrieb der Membran, dadurch kaum Neigung zu
Eigenschwingungen
durch extrem geringe Membranmasse gutes Impulsverhalten
Nachteile der elektrostatischen Wandler:
-
sehr großer Aufwand durch Polarisationsspannung
→ hochwertige Übertrager notwendig
Feuchtigkeitsempfindlichkeit aufgrund der hohen Spannung
(→ Knistergeräusche)
besondere Anforderungen an den Verstärker, der teilweise kapazitiv
belastet wird
Probleme bei tiefen Frequenzen und hohen Lautstärken wegen Begrenzung
des Membranhubes
Eingeschränktes Rundstrahlverhalten
26
Lautsprecher
Die Elektrostaten werden wegen ihre Vorzüge zwar zu den hochwertigsten Wandlern
gezählt, aber aufgrund der genannten Nachteile ist ihre Verbreitung gering.
2.3.
Piezoelektrische Lautsprecher:
Abbildung: 2-12
Grundlage für diesen Lautsprecher ist der Piezoelektrische Effekt, welcher besagt,
dass durch mechanische Verformung eines piezoelektrischen Kristalls eine elektrische
Spannung entsteht. Durch Umkehrung dieses Effekts erhält man einen
Piezolautsprecher, d.h. durch Anlegung einer Wechselspannung führt der Kristall
Schwingungen mit der Frequenz der Spannung aus. Diese Schwingungen werden mit
Hilfe einer kleinen Konusmembran abgestrahlt. Da die Amplituden dabei jedoch sehr
gering sind, setzt man diesen Wandler nur als Hochtöner ein.
Das Besondere an einem Piezolautsprecher ist sein Impedanzverlauf, der dem eines
Kondensators gleicht. Daher wird der Lautsprecher bei tiefen Frequenzen bzw.
Gleichstrom nicht belastet. Dadurch kann er ohne Frequenzweiche parallel zu anderen
Lautsprechern (Tief- und Mitteltöner) geschaltet werden.
Im Gegensatz zu anderen Lautsprechern wird bei Piezolautsprechern die maximale
Belastbarkeit nicht in Watt angegeben, sondern durch die maximal zulässige
Spannung von 25V. Eine Erhöhung der Belastbarkeit ist durch Reihenschaltung
möglich.
Piezohochtöner sollten nach Möglichkeit nicht alleine ohne andere parallel geschaltete
Lautsprecher betrieben werden, da manche Verstärker bei rein kapazitiver Last zum
Schwingen neigen.
Vorteile der Piezolautsprecher sind:
-
geringer Preis
hohe Belastbarkeit
hoher Wirkungsgrad
robust und problemlos einsetzbar
Nachteil:
Der hohe Wirkungsgrad und die hohe Belastbarkeit verleiten dazu den
Obertonbereich stark überzubetonen → schriller, spitzer Klang.
27
Lautsprecher
2.4.
Ionen-Lautsprecher:
Bei den bisher besprochenen Lautsprechern wurde immer eine massebehaftete
Membran verwendet, um den Schall abzustrahlen. Beim Ionen-Lautsprecher ist
dagegen keine Membran vorhanden. Hier verwendet man eine Lichtbogen, der mit
einem hochfrequenten Speisestrom gespeist wird. Durch Modulation dieses
Speísestroms mit einer Tonfrequenzspannung schwankt die Helligkeit und die
Temperatur des Lichtbogens im Rhythmus der Tonfrequenzspannung. Mit steigender
Temperatur nimmt das Volumen der Luft zu, wodurch die angrenzenden Luftmoleküle
angestoßen werden und sich dadurch Schallwellen ausbreiten können. Dieser Effekt
wirkt auch bei der Entstehung des Donners.
Ionen-Lautsprecher werden ausschließlich als Hochtöner eingesetzt.
Vorteil:
-
idealer Hochtöner was die Erzeugung des Schalls anbelangt
Nachteile:
-
2.5.
riesiger Aufwand
geringer Schalldruck
Magnetische Wandler:
Der magnetische Wandler besteht aus einer Spule, einem federnd gelagerten Anker
(magnetisch leitfähige Metallmembran) und einem Permanentmagneten.
Abbildung: 2-13
Das an die Spule angelegte Tonfrequenzsignal (Wechselspannung) bewirkt eine
Änderung des Magnetfeldes. Dies bewirkt eine Bewegung der Membran im Rhythmus
des Tonfrequenzsignals. Der Permanentmagnet dient zur Linearisierung.
Dieses Wandlerprinzip wird in verbesserter Form in Telefonhörern und Kopfhörern
verwendet, da mit geringem Aufwand ein hoher Wirkungsgrad erzeugt werden kann.
28
Lautsprecher
Abbildung: 2-14
3.
Frequenzweichen und Gehäuse:
3.1.
Frequenzweichen:
Sinn einer Frequenzweiche ist es die Tonfrequenzen in verschiedene Bereiche
aufzuteilen. Dadurch bekommt jedes Lautsprecher – Chassis den Frequenzbereich
zugeteilt, in dem es optimal arbeiten kann. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen
aktiven und passiven Weichen. Aktive Weichen werden überwiegend in großen
Lautsprechersystemen verwendet. Dabei muß jedem Frequenzbereich ein eigener
Leistungsverstärker zugeordnet werden (Disco, Konzerte, Kino, ...). Bei HiFi –
Anwendungen kommen im Allgemeinen passive Frequenzweichen zum Einsatz.
Passive Weichen sind aus Spulen, Kondensatoren und Widerständen aufgebaut. Im
günstigsten Fall werden die Tonfrequenzsignale, die durch die Bauteile manipuliert
werden, nicht hörbar verschlechtert. Als allgemeine Regel gilt: So wenig Bauteile wie
möglich und so viele wie nötig. Der beste Kompromiss hängt dabei stark von den
verwendeten Lautsprechern ab.
Eine Frequenzweiche besteht aus mehreren Zweigen. Bei 2 – Wege – Systemen aus
einem Tiefpassfilter und einem Hochpassfilter. Bei Systemen mit mehr als zwei
Wegen kommen zusätzlich ein oder mehrere Bandpässe (Hintereinanderschaltung von
Hoch- und Tiefpass) hinzu. Die einzelnen Filter kommen in verschiedenen Ordnungen
vor:
1. Ordnung:
Abbildung: 2-15
(Bandpass 1. Ordnung existiert nicht)
29
Lautsprecher
2. Ordnung:
Abbildung: 2-16
Abbildung: 2-17
3. Ordnung:
Abbildung: 2-18
30
Lautsprecher
Bei 3 – Wege – Systemen ist noch zu beachten, dass Mitteltöner und Hochtöner
verpolt angeschlossen werden können, um Phasenverschiebungen auszugleichen. Dies
ist jedoch abhängig von den Trennfrequenzen. Meistens wird nur der Mitteltöner
verpolt angeschlossen.
Da Frequenzweichen den Klang von Lautsprecherboxen maßgebend beeinflussen
sollte ihnen bei der Konstruktion besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.
3.2.
Gehäuse:
Warum sind Gehäuse eigentlich wichtig?
Grund für die Verwendung eines Gehäuses ist hauptsächlich der sogenannte
akustische Kurzschluss. Hierbei handelt es sich um die Tatsache, dass eine
schwingende Membran zwar die Luft an ihrer Vorderseite verdichtet, gleichzeitig aber
auch die Luft an ihrer Rückseite entspannt. Der Phasenunterschied beträgt hier also
180°. Bei tiefen Frequenzen findet die Luft durch die langsame Bewegung der
Membran Zeit genug, die Druckunterschiede auszugleichen, die Luft strömt also
ständig von der Vorderseite zur Rückseite. Dies hat zwar einen tieffrequenten Luftzug
zur Folge, aber keine Bassabstrahlung.
Um diesen Effekt zu verhindern, und um die Klangeigenschaften von Lautsprechern
besser an bestimmte Gegebenheiten anpassen zu können, gibt es verschiedene Arten
von Gehäusen, die im Folgenden kurz erläutert werden.
3.2.1. Geschlossene Gehäuse:
Eine erste Möglichkeit, den akustischen Kurzschluss zu verhindern, ist das
geschlossenen Gehäuse, das den Luftaustausch verhindert.
Nachteil ist jedoch, das durch das geschlossene Luftvolumen im Inneren des Gehäuses
eine Federwirkung zustande kommt (je größer das Volumen, um so weicher die
Feder). Dies bewirkt eine Erhöhung der Härte der Membraneinspannung und damit
eine Erhöhung der Resonanzfrequenz fc gegenüber der Freiluftresonanzfrequenz fs. Da
unterhalb der Resonanzfrequenz kaum noch Leistung abgestrahlt wird, hat die
natürlich einen entscheidenden Einfluss auf den Frequenzgang.
Es gibt zwei Dinge die für das Bauen eines Gehäuses von Wichtigkeit sind:
-
Bis zur welcher Frequenz werden Bässe noch kräftig wieder
gegeben ?
→ Resonanzfrequenz
-
Wie ist das Einschwingverhalten ?
→ Q-Faktor (Güte)
31
Lautsprecher
Hierzu nun ein Berechnungsbeispiel:
geg.: Chassis-Daten
fs = 20 Hz
QTS = 0,27
VAS = 300 l
wird eingebaut in 80 l Gehäuse
ges.:
- Eigenresonanzfrequenz fc
- Gesamtgüte QTC
fc = fs ⋅
V AS
+ 1 = 43,6 Hz
VB
QTC = QTS ⋅
V AS
+ 1 = 0,59
VB
Der Q-Faktor von 0,59 bedeutet ein hervorragendes Impulsverhalten. In der Regel
wird jedoch eine Frequenzweiche benötigt. Dabei muß beachtet werden, dass der
ohm’sche Widerstand der Spule zum Gleichstromwiderstand RDC des Chassis addiert
werden muss. Dadurch erhöht sich zwangsläufig der Gesamtgütefaktor und nähert sich
dem Idealwert 0,7.
Aus den errechneten Daten ergibt sich folgender Frequenzgang:
Abbildung: 3-1
3.2.2. Bassreflex-Gehäuse:
Ein Bassreflex-Gehäuse, das in der Regel komplizierter aufgebaut ist als ein
geschlossenes Gehäuse, hat den Vorteil, dass der Frequenzbereich zu tieferen
Frequenzen ausgedehnt werden kann. Dieser Vorteil beruht darauf, dass der
rückwärtig abgestrahlte Schall nicht vollständig durch das Dämpfungsmaterial in
Wärme umgewandelt wird, sondern noch für tiefere Frequenzen genutzt wird. Der
32
Lautsprecher
Schall wird durch eine Öffnung (Tunnel) zusammen mit dem Direktschall des
Lautsprechers nach vorn abgestrahlt. Diese Öffnung muss unbedingt richtig berechnet
sein, damit Basswiedergabe und Wirkungsgrad gesteigert werden und keine
Phasenauslöschungen auftreten.
Abbildung: 3-2
Formeln zur Berechnung des Bassreflextunnels:
f B = 0,6 ⋅ f c
für QTC > 0,7
für QTC < 0,7
f B = 0,75 ⋅ f c
QTC und fc werden wie bei geschlossenen Gehäusen berechnet
l=
10 ⋅ c 2 ⋅ F
− 0,5 ⋅ π ⋅ F
4 ⋅ π 2 ⋅ f B2 ⋅ VB
l: Länge des Tunnels in cm
c: Schallgeschwindigkeit in Luft (343 m/s)
F: Querschnittsfläche der Tunnelöffnung in cm² (bei mehreren
Öffnungen Summe der Flächen)
fB: Tuningfrequenz in Hz
VB: Nettovolumen der Box in Liter
Abbildung: 3-3
33
Lautsprecher
3.2.3. Sonstige Gehäuseformen:
Außer den bisher genannten Standard-Gehäusen gibt es für besondere Anwendungen
noch verschiedene Spezialgehäuse, die im folgenden kurz beschrieben sind.:
a) Horngehäuse:
Um den Wirkungsgrad vor allem im Bassbereich weiter zu steigern, verwendet
man sogenannte Hornboxen. Die Trichter dieser Hörner werden meistens nach
Exponentialformeln berechnet, weshalb man sich auch als Exponentialboxen
bezeichnet (möglich sind auch hyperbolische und konische Hörner).
Beispiele:
Front-Loaded-Horn:
Abbildung: 3-4
Folded-Horn:
Abbildung: 3-5
34
Lautsprecher
Rear-Loaded-Horn:
Abbildung: 3-6
b) Transmission-Line-Box:
Abbildung: 3-7
35
Lautsprecher
c) Bandpaß-Gehäuse:
Dieses Prinzip wird hauptsächlich beim Bau von Subwoofern verwendet.
Abbildung: 3-8
36
Lautsprecher
4.
Beispiel einer neueren Anwendung von Lautsprechersystemen: HomeCinema
4.1.
HomeCinema mit DolbySurround ProLogic und Dolby Digital:
4.1.1. Vom Kinoerlebnis zum HomeCinema-System:
Abbildung 4-1: Kino-Surround System
Abbildung 4-2: HomeCinema Prinzip
Die Anordnung für das HomeCinema Prinzip ist aus den Entwicklungen für die
räumliche Wiedergabe in Kino’s abgeleitet. Welche Bedeutung die einzelnen
Lautsprecher haben, wir im nächsten Kapitel behandelt.
Was braucht man, um das HomeCinema Prinzip zuhause umzusetzen? Prinzipiell nicht
viel.
Die wichtigsten Komponenten sind:
1. Stereo-Sound, der mit einem DolbySurround Signal kodiert ist (z.B. von einem
Videofilm, Fernsehprogramm, etc.)
2. Einen DolbySurround-Dekoder, der das Signal umwandeln kann und die
verschiedenen Lautsprecher ansteuern kann
3. HomeCinema Lautsprecher
37
Lautsprecher
Abbildung 4-3: Grundbausteine für HomeCinema
Über 7.000 Filme sind mittlerweile erhältlich im DolbySourround Format. Ob
Fernsehen, Musik oder eben Kino, die Surround Technik ist in allen Gebieten der
Unterhaltungsmedien ein Standard geworden.
Abbildung 4-4: „Auslieferer“ der Surround Technik
Erkennbar sind Filme und dergleichen mit DolbySurround Technik an dem folgenden
Symbol der Dolby Laboratories:
4.1.2. Die HomeCinema Lautsprecher:
a) Links – Rechts:
Diese Boxen sind für die Hauptwiedergabe des Sounds verantwortlich, über sie
läuft der größte Anteil des Signals. Es handelt sich in der Regel um gewöhnliche
38
Lautsprecher
HiFi Lautsprecher in 2-Wege oder 3-Wege Technik, wie man sie üblicherweise für
die Stereo Musikwiedergabe benutzt.
Abbildung 4-5: Links-Rechts Lautsprecher
b) Center Lautsprecher:
Der Centerlautsprecher sollte idealerweise wie die Links-Rechts Lautsprecher
ausgeführt sein, also als 2-Wege oder 3-Wege Lautsprecher. Er ist maßgeblich für
die Wiedergabe im mittleren Frequenzbereich verantwortlich, also zumeist
Gespräche in Filmen und dergleichen.
Man unterscheidet 4 verschiedene Möglichkeiten beim DolbySurround Pro-Logic
Betrieb, den Center-Lautsprecher anzusteuern:
-
Wide
Dieser Modus ist für einen hochwertigen Center-Lautsprecher konzipiert, der
die gleichen Charakteristika der Klangwiedergabe vorweist wie eine HiFi-Box.
Er trägt den ganzen Frequenzbereich mit (wird also auch dementsprechend
vom Dekoder angesteuert), ist aber üblicherweise durch eine Frequenzweiche
so ausgelegt, daß er den Mittenbereich leicht überbetont.
Die im Teil 5 gezeigte Centerbox ist nach diesem Prinzip dimensioniert.
-
Normal
Dieser Modus sollte gewählt werden, wenn es sich um einen kleinen Center
Lautsprecher handelt. Die tiefen Frequenzen werden vom Dekoder an die
Links-Rechts Boxen geleitet. Der Center Lautsprecher übernimmt also nur den
Mittenbereich.
-
Phantom
Ist kein Center-Lautsprecher vorhanden, kann dieser Modus angewählt werden.
Der Dekoder leitet das Signal nun so um, daß der Center-Lautsprecher virtuell
für den Hörer erzeugt wird. Diese Einstellung ist jedoch nur zu empfehlen,
wenn der Hörer genau in der Mitte des Surround Klangbildes sitzt (siehe dazu
Kapitel 4.3).
-
Off
Der Center-Lautsprecher ist entweder aus oder wird nicht angesteuert.
39
Lautsprecher
Abbildung 4-6: Center Betriebsarten
c) Rear- oder Effekt-Lautsprecher:
Diese Lautsprecher brauchen keine besondere Bass-Wiedergabe zu leisten,
weshalb sie auch klein ausgeführt sein können. Ihre Hauptaufgabe liegt nachher
darin, einen räumlichen Eindruck zu vermitteln und Effekte wie Explosionen,
umherkreisende Helikopter oder psychedelische Stimmung zu erzeugen.
Im Allgemeinen sollten sie die gleiche Klangcharakteristik wie die Links-Rechts
Lautsprecher besitzen (abgesehen von der Basswiedergabe natürlich). Hier kommt
es vor allem auf die richtige Positionierung im Raum an, um den bestmöglichen
Effekt zu erzielen.
Abbildung 4-7: A: Standard Rear-Lautsprecher
B: Im Kino verwendete Dipol-Lautsprecher
Optional können Subwoofer-Lautsprecher verwendet werden, um Explosionen und
dergleichen noch eindrucksvoller zu gestalten. Sie werden entweder als AktivLautsprecher (mit eingebauter Verstärkung) oder als Passiv-Lautsprecher
ausgeführt.
Abbildung 4-8: Subwoofer
40
Lautsprecher
Wichtig - vor allem für den Center-Lautsprecher - ist eine magnetische Abschirmung.
Da dieser Lautsprecher meistens auf oder unter dem Fernseher positioniert werden,
dürfen die Magnete natürlich keine Streufelder erzeugen, die das Bild (bzw. die
Bildröhre) in Form von bunten Rändern stören. Zu diesem Zweck werden die
Lautsprecher dann meistens mit Kompensationsmagneten ausgestattet (siehe auch
Kapitel 5).
Abbildung 4-9: Center-Lautsprecher auf Fernseher
4.1.3. Platzierung der Lautsprecher:
Um eine möglichst gute Klangwiedergabe zu erhalten, ist es wichtig die Lautsprecher
richtig im Raum zu positionieren. Deshalb sollten die folgenden Hinweise beachtet
werden:
1. Anordnung der Frontlautsprecher:
Die Frontlautsprecher sollten grundsätzlich die gleiche Entfernung vom Zuhörer
haben. Die Hochton-Lautsprecher sollten nach Möglichkeit in Höhe des Kopfes
des Zuhörers befinden. Der Center-Lautsprecher und die Links-RechtsLautsprecher sollten in einer Linie angeordnet sein. Der Center-Lautsprecher kann
dabei auch leicht nach hinten versetzt angeordnet sein, jedoch niemals vor den
Links-Rechts Lautsprechern. Die folgenden Abbildungen verdeutlichen dies:
Abbildung 4-10 & 4-11: Anordnung der Front-Lautsprecher
41
Lautsprecher
Abbildung 4-12 & 4-13: Anordnung der Front-Lautsprecher
2. Anordnung der Rear-Lautsprecher:
Die hinteren Lautsprecher sollten normalerweise neben dem Zuhörer etwa 50 bis
100 cm über Kopfhöhe aufgestellt sein, um unerwünschte Lokalisierungseffekte zu
minimieren.
Abbildung 4-14 & 4-15: Übliche Anordnung der Rear-Lautsprecher
Die beste Anordnung variiert aber für jeden Raum etwas, weshalb auch andere
Anordnungen, wie sie in den folgenden Abbildungen dargestellt sind, sinnvoll sein
können.
42
Lautsprecher
Abbildung 4-16 bis 4-17: Alternative Anordnungsmöglichkeiten
4.1.4. Anforderungen an den Raum:
Folgende Hinweise sollten beachtet werden bei der Auswahl eines HomeCinemaRaumes:
Zu viele glatte Oberflächen wie Fliesen oder Parkettböden können zu
unangenehmen Reflexionen führen und dadurch den Klang etwas verwischen.
Teppiche und Vorhänge können hierbei Abhilfe schaffen.
Hat man die Auswahl zwischen verschiedenen Räumen, so sollte man den wählen,
der möglichst gleich lange gegenüberliegende Wände besitzt (rechteckig), d.h.
verwinkelte Räume sind nicht zu empfehlen, da Resonanzen sonst zu
Klangverfärbungen führen können.
Die Sitzposition sollte zwischen den beiden Rear-Lautsprechern liegen.
Je näher die Lautsprecher an Ecken, Wänden oder Decken sitzen, desto intensiver
ist die Basswiedergabe (in einigen Fällen dann sogar zu intensiv)
Abbildung 4-18: Der „perfekte“ Raum für HomeCinema
43
Lautsprecher
4.1.5. Dolby Digital 5.1:
Mit Herauskommen der beiden Filme „Clear and present danger“ und „True lies“ im
Jahre 1995 wurde ein weiterer Schritt in der Entwicklung des HomeCinema Sounds
beschritten, Dolby Digital. Diese Filme beinhalteten einen neuen digitalen Soundtrack
mit fünf vollwertigen Kanälen – links, Center, rechts, linker Effekt und rechter Effekt
– plus einen sechsten tieffrequenz Effektkanal. Dies führte auch zu der heute gängigen
Bezeichnung „Dolby Digital 5.1“.
Nachdem dieses Format zuerst nur in Kinos Anwendung fand, führte die Einführung
der DVD dazu – ähnlich wie bei LaserDiscs – dass dieses digitale Tonformat auch
zuhause zugänglich wurde.
Die Vorteile von Dolby Digital liegen natürlich in der exakteren da digitalen
Klangwiedergabe sowie der naturgemäßeren Wiedergabe der Effekte, die ein
besonderes Klangbild schaffen, was die Kinos auch wieder wesentlich interessanter
gemacht hat.
Davon abgesehen ist es nun nicht zwingend notwendig ein bestehendes
DolbySurround Pro-Logic Equipment auszutauschen. Diese beiden Prinzipien werden
noch eine ganz Zeit lang nebeneinander existieren. Da aber prinzipiell keine anderen
Anforderungen an die Lautsprecher gegeben sind, kann man durch Aufrüstung der
Elektronik hier schnell von Pro-Logic auf Digital umsteigen, was natürlich aber auch
eine Kostenfrage ist.
Sollte man sich für den Kauf einer Pro-Logic Einheit entscheiden, so ist es ratsam
darauf zu achten, dass man Produkte kauft, die später noch mit einem „Add-On“
Dekoder aufgerüstet werden können.
Abbildung 4-19: Vorraussetzungen für HomeCinema mit Dolby Digital
Einige Dekoder-Verstärker-Systeme beinhalten zusätzlich noch sogenannte „Digital
Signal Processing“ (kurz: DSP) Zusätze, die die Akustik von großen Kinosälen
generieren und / oder THX Prozessoren, die einen bestimmten Standard (nach Lucas
Inc., siehe StarWars) für die „kinomäßige“ Akustik vorgeben und generieren.
44
Lautsprecher
45
Lautsprecher
5.
Konstruktion eines Mehrwegesystems:
Im folgenden wird die durchgeführte Konstruktion einer 3-Wege-Box, genauer einer
Center-Box für Heimkino-Anwendung, beschrieben.
Zunächst wurden der grundsätzliche Aufbau und der Kostenrahmen festgelegt. Nach
der Festsetzung eines Kostenrahmens von ca. 300 bis 400 DM (incl. Gehäuse) konnte
die Zusammenstellung der Bauteile in Angriff genommen werden. Da eine
ausreichende aber nicht dominante Basswiedergabe gewünscht wurde, entschieden wir
uns für zwei 13 cm-Basslautsprecher (magnetisch abgeschirmt), die jedoch
unterschiedliche Signale zugeführt bekommen sollten. Hierzu wird später noch ein
wenig mehr gesagt. Diese beiden Chassis alleine machen jedoch noch lange keinen
gutklingenden Center. Für einen solchen ist eine präzise Wiedergabe der oberen
Mittenfrequenzen und Hochtonfrequenzen von großer Wichtigkeit. Daher fiel die
Wahl auf einen durchaus gutklingenden und durchsetzungsstarken Kalottenhochtöner
(mit zusätzlichem Kompensationsmagnet).
Abbildung 5-1 & 5-2: Kompenastionsmagnete (links: Hochtöner, rechts: Tieftöner)
Nach Auswahl der Chassis konnte mit der Berechnung der Frequenzweiche begonnen
werden. Da die Frequenzweiche eine tragende Rolle in der Soundentwicklung der Box
spielt, wurde ihr besonders viel Aufmerksamkeit gewidmet. Die Berechnung wurde
unter zu Hilfenahme des Berechnungsprogramms LASIP98 (von Conrad)
durchgeführt. Da die Frequenzgänge und Daten der verwendeten Chassis in diesem
Programm bereits vorhanden waren, musste eine Berechnung der Q-Faktoren und
anderer Kennwerte (siehe Kapitel 1) bzw. das Messen des Frequenzganges nicht
durchgeführt werden. Der resultierende Frequenzgang sollte möglichst linear
verlaufen und zu tieferen Frequenzen leicht abfallen, um eine saubere
Sprachwiedergabe zu erzeugen.
Wie schon weiter oben angedeutet sollten die beiden Basschassis unterschiedliche
Signale zugeführt bekommen. Diese Maßnahme hat folgende Hintergründe:
a) Würden beide Chassis mit demselben Signal angesteuert, so würde man
zwar einen höheren Schalldruck erzeugen, allerdings könnten sich hörbare
Auslöschungen ergeben.
46
Lautsprecher
b) Indem man dem zweiten Basschassis einen nach oben erweiterten
Signalbereich zuweist, kann man mit ihm einen Großteil der mittleren
Frequenzen abdecken und sich so einen zusätzlichen Mittetöner sparen,
wenn man dem Hochtöner den oberen Mitteltonbereich zuordnet.
Hierbei ist allerdings zu beachten, dass Basschassis verwendet werden, die den
Mitteltonbereich noch sauber wiedergeben können (bei 13 cm-Lautsprechern
normalerweise gegeben). Ebenso muss der Hochtöner die Leistung des oberen
Mitteltonbereichs verkraften können.
Werte der Frequenzweiche:
Basschassis 1: bis ca. 740 Hz mit 12 dB Chebychev-Tiefpass (2,2 mH; 33 µF)
Basschassis 2: bis ca. 1800 Hz mit 12 dB Butterworth-Tiefpass (1,0 mH; 6,8 µF)
Hochtöner : ab ca. 3800 Hz mit 12 dB Butterworth-Hochpass (0,47 mH; 3,3 µF)
resultierender Frequenzgang:
Abbildung: 5-3
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Lautsprecher
Impedanzverlauf:
Abbildung: 5-4
Da eine Nennimpedanz von 8 Ohm (Mindestwert: 6,4 Ohm) erforderlich war, musste
die Impedanz durch das Einfügen zweier Widerstände erhöht werden. Hierzu ist zu
sagen, dass die Werte dieser Widerstände hier schon sehr groß sind. Problem dabei ist,
dass durch diese Widerstände der für eine saubere Basswidergabe verantwortliche
Dämpfungsfaktor des Verstärkers zu einem großen Teil aufgehoben wird. Daraus
ergibt sich normalerweise eine dröhnende und unsaubere Basswidergabe. Dies kann
man jedoch in Ausnahmefällen (z.B. Center-Box) durch entsprechende
Gehäusekonstruktion (siehe unten) umgehen. Man sollte diesen Trick jedoch nur dann
anwenden, wenn sich die Impedanz nicht auf einem anderen Weg erhöhen lässt.
Die folgenden Abbildungen zeigen die fertig aufgebaute Frequenzweiche:
Abbildung: 5-5 & 5-6
48
Lautsprecher
Das Gehäuse wurde ebenfalls mit LASIP98 berechnet. Das Ergebnis von ca. 24 Litern
als Volumen wurde jedoch auf ca. 12 Liter reduziert (Simulation in LASIP98).
Dadurch wurde der Frequenzgang nach unten zwar reduziert, was aber eine bessere
Impulswidergabe des Basssignals zur Folge hat, womit der Nachteil der beiden
eingefügten Widerstände ausgeglichen werden konnte.
Maße des Gehäuses:
Breite: 50 cm
Höhe und Tiefe: 20 cm
Als Material wurde MDF der Stärke 16 mm (für Frontplatte 22 mm) verwendet, da die
akustischen Eigenschaften dieses Materials höheren Ansprüchen gewachsen sind.
Abbildung: 5-7 & 5-8
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Lautsprecher
Abbildung: 5-9 bis 5-11
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Lautsprecher
Abbildung: 5-12
Stückliste:
-
2 x Visaton W130SC 8 Ohm (magnetisch kompensiert)
Visaton DTW 110 NG 8 Ohm
Kompensationsmagnet für Hochtöner
Anschlussterminal
Widerstände 10 W: 1 Ohm; 68 Ohm
Widerstände 25 W: 2 x 8,2 Ohm
Widerstand 50 W: 3,9 Ohm
Spulen: 2,2 mH ; 1,0 mH; 0,47 mH
Kondensatoren (MKT): 33 µF; 6,8 µF; 3,3 µF
Platinen, Anschlussklemmen usw.
Holzzuschnitt
Glaswolle
Nach Zusammenbau, anschließender Kontrollmessung mit Realtime-Analyzer und
Messmikrofon (Ergebnis: guter Frequenzgang) und ausgedehnter Hörprobe, wurde die
Center-Box als mehr als den Erwartungen entsprechend beurteilt. Mit einem Endpreis
von ca. 310 DM und etwa einem Tag Arbeit (ohne Berechnungen) kann die CenterBox einem Vergleich mit Markenboxen auf jeden Fall standhalten.
51
Lautsprecher
6.
Quellenverzeichnis:
-
PA für Musiker / Bernhard Krieg / Pflaum Verlag München
Elektroakustik / M. Zollner, E. Zwicker / Springer Verlag
Physik für Ingenieure 7.Aufl. / Hering, Martin, Stohrer / Springer Verlag
Handbuch der Lautsprechertechnik / F. Hausdorf / Visaton
Lautsprecherbau / Vance Dickason / Elektor-Verlag
Das Lautsprecherbuch / Adam Hall / Eminence
www.visaton.de
www.dynacord.com (Electrovoice)
www.dolby.com
www.thx.com
www.lautsprecher.de
www.jbl-professional.com
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