Wie funktionieren Lautsprecher: Ihr Leitfaden zur Lautsprechertechnologie
Lautsprecher wandeln elektrische Audiosignale mithilfe elektromagnetischer Prinzipien in Schallwellen um. Ein elektrischer Strom fließt durch eine Schwingspule, die sich in einem Magnetfeld befindet, wodurch eine Membran in Schwingung versetzt wird und Luft bewegt, wodurch die Töne entstehen, die wir hören.
Wenn du die Lautsprechertechnologie verstehst, kannst du fundierte Entscheidungen treffen, wenn du Audiogeräte für die Musikproduktion oder zum Hören auswählst. Trotz der technologischen Fortschritte bei Materialien und Herstellung seit den 1920er Jahren ist das grundlegende Funktionsprinzip bei allen Lautsprechertypen unverändert geblieben – von Smartphone-Lautsprechern bis hin zu professionellen Studiomonitoren.
In diesem Leitfaden erfahren Sie:
- Die elektromagnetischen Prinzipien hinter der Funktionsweise von Lautsprechern
- Interne Komponenten und ihre spezifischen Funktionen
- Wie Lautsprecher verschiedene Frequenzbereiche wiedergeben
- Technische Spezifikationen: Impedanz, Empfindlichkeit, Frequenzgang
- Die Geschichte und Zukunft der Lautsprechertechnologie
Das Grundprinzip der Lautsprecherfunktion
Der Lautsprechertreiber (auch Wandler genannt) erfüllt eine wesentliche Funktion: Er wandelt elektrische Energie in mechanische Bewegung um, die Schallwellen erzeugt.
Wenn ein Audiosignal von einem Verstärker die Lautsprecheranschlüsse erreicht, durchläuft es eine Schwingspule – einen Draht, der um einen zylindrischen Kern gewickelt ist. Diese Spule befindet sich in der Lücke zwischen den Polen eines Permanentmagneten. Wenn Wechselstrom durch die Spule fließt, bewirken elektromagnetische Kräfte, dass sie sich hin und her bewegt.
Die Schwingspule ist mit einer Membran verbunden. Wenn sich die Spule bewegt, bewegt sich die Membran mit und drückt und zieht Luft, um Druckwellen zu erzeugen. Diese Druckwellen sind Schall. Die Amplitude der Membranbewegung bestimmt die Lautstärke, die Frequenz der Bewegung bestimmt die Tonhöhe.
Eine flexible Einfassung ermöglicht es der Membran, sich frei zu bewegen und gleichzeitig ihre Position beizubehalten. Eine größere Bewegung der Membran erzeugt eine höhere Lautstärke.
Interne Komponenten eines Lautsprechers
Jede Komponente im Inneren eines Lautsprechers erfüllt eine bestimmte Funktion im Prozess der Schallwiedergabe.
Komponenten des Magnetsystems
Pol, Rückplatte und Deckplatte
Der Pol befindet sich in der Mitte und lenkt das Magnetfeld. Die Rückplatte befindet sich hinter dem Pol, während die Deckplatte darüber positioniert ist. Diese drei Komponenten fokussieren das Magnetfeld in den Spalt, in dem die Schwingspule arbeitet.
Permanentmagnet
Der Permanentmagnet liefert konstante magnetische Energie. Er behält seine magnetischen Eigenschaften auch ohne externe Stromversorgung bei. Die Schwingspule wird nur magnetisch, wenn elektrischer Strom durch sie fließt.
Schwingspule
Die Schwingspule ist ein Draht, der um einen zylindrischen Former (auch Spule genannt) gewickelt ist. Wenn ein elektrisches Signal durch die Spule fließt, wird sie zu einem Elektromagneten. Magnetische Kräfte zwischen der Schwingspule und dem Permanentmagneten bewirken, dass sich die Spule bewegt. Wie Magnetpole stoßen sich ab, so ziehen sich entgegengesetzte Pole an. Diese Wechselwirkung erzeugt die Hin- und Herbewegung, die den Schall erzeugt.
Strukturelle Komponenten
Spinne
Die Spinne ist ein gewelltes Material, das die Schwingspule stützt und gleichzeitig vertikale Bewegungen zulässt. Sie verhindert seitliche Bewegungen und sorgt für eine stabile Bewegung entlang einer einzigen Achse.
Sicke
Die Einfassung hält die Membran oben am Lautsprecherkorb und ermöglicht eine reibungslose Bewegung bei der Tonerzeugung.
Membran
Die Membran (in einigen Konstruktionen auch als Konus bezeichnet) ist die sichtbare bewegliche Oberfläche des Lautsprechers. Sie bewegt sich entsprechend der Bewegung der Schwingspule und erzeugt Druckwellen in der Luft. Diese Druckwellen erzeugen die Töne, die wir hören.
Staubschutzkappe
Die Staubkappe schützt die inneren Komponenten vor Staub und Schmutz und beugt so Beschädigungen vor.
Korb
Der Korb ist der Rahmen, der alle Lautsprecherkomponenten in ihrer richtigen Position hält.
Elektrische Komponenten
Lautsprecheranschlüsse sind die Metallanschlusspunkte, an denen Audiokabel mit dem Lautsprecher verbunden werden. Diese Anschlüsse sind mit dem Draht verbunden, der zur Schwingspule führt und das für den Betrieb erforderliche elektrische Signal liefert.
Lautsprechergehäuse
Das Gehäuse (auch als Kabinett bezeichnet) erfüllt drei wichtige Funktionen:
Erstens schützt es die inneren Komponenten vor Staub, Schmutz und äußeren Einflüssen.
Zweitens reduziert es die Phasenauslöschung. Wenn sich die Membran bewegt, erzeugt sie Schallwellen in beide Richtungen. Ohne Gehäuse können sich diese Wellen gegenseitig auslöschen, was zu einer verminderten Klangqualität führt, insbesondere bei niedrigen Frequenzen.
Drittens beeinflusst das Gehäuse die Schallrichtung und die Basswiedergabe. Das Design des Gehäuses beeinflusst, wie Zuhörer tiefe Frequenzen wahrnehmen.
Gehäuse werden aus dichten, starren Materialien hergestellt, um unerwünschte Resonanzen und Vibrationen zu vermeiden. Zu den gängigen Materialien gehören Holz, MDF (mitteldichte Faserplatte) und Kunststoff.
Wie Lautsprecher verschiedene Frequenzen wiedergeben
Ein einzelner Treiber kann nicht alle Audiofrequenzen effizient wiedergeben. Physikalische Einschränkungen verhindern eine optimale Leistung über den gesamten Frequenzbereich.
Bei Konzerten werden Sie separate Lautsprechersysteme für verschiedene Frequenzbereiche sehen: Subwoofer und Tieftöner für tiefe Frequenzen, Mitteltöner für mittlere Frequenzen und Hochtöner für hohe Frequenzen. Jeder Treibertyp ist speziell für seinen Frequenzbereich ausgelegt.
Für den Heim- und Studiogebrauch lösen Mehrweg-Lautsprecher dieses Problem in kompakter Form.
Mehrweg-Lautsprechersysteme
Mehrweglautsprecher verwenden zwei, drei oder vier unterschiedlich große Treiber, um verschiedene Frequenzen wiederzugeben. Die gängigste Konfiguration ist das Zwei-Wege-System, das zwei Treiber verwendet.
Eine Frequenzweiche teilt das Audiosignal in verschiedene Frequenzbereiche auf. Hohe Frequenzen werden an den Hochtöner gesendet, während niedrige und mittlere Frequenzen an den größeren Treiber geleitet werden. Die Frequenzweiche verwendet Filter, um die Frequenzen korrekt aufzuteilen.
Diese Konfiguration ermöglicht es dem Lautsprecher, den gesamten Frequenzbereich mit einer höheren Qualität wiederzugeben, als dies mit einem einzelnen Treiber möglich wäre.
Warum unterschiedliche Treibergrößen notwendig sind
Die meisten Lautsprecher haben mehrere Treiber unterschiedlicher Größe auf der Vorderseite. Dieses Design berücksichtigt bestimmte physikalische Einschränkungen.
Kleine Treiber können nicht genug Luft bewegen, um tiefe Frequenzen mit ausreichender Lautstärke zu erzeugen. Große Treiber können Bässe gut wiedergeben, haben jedoch mechanische Einschränkungen, die eine effiziente Wiedergabe hoher Frequenzen verhindern.
Die Richtwirkung des Treibers hängt auch von seiner Größe ab. Die Richtwirkung bezieht sich auf den Winkel, in dem der Klang richtig ausbalanciert ist. Große Treiber haben eine enge Richtwirkung bei hohen Frequenzen, während kleine Treiber eine begrenzte Richtwirkung bei niedrigen Frequenzen haben.
Grundlagen der Lautsprecherimpedanz
Die Lautsprecherimpedanz ist der Gesamtwiderstand gegen den Stromfluss in einem Lautsprecher, gemessen in Ohm. Die Impedanz umfasst sowohl den Widerstand des Schwingspulen-Drahtes als auch die durch die Spulenwicklung verursachte Induktivität.
Im Gegensatz zum Standardwiderstand ändert sich die Induktivität mit der Signalfrequenz. Diese Schwankung wird als induktive Reaktanz bezeichnet.
Für eine optimale Leistung ist es wichtig, die Lautsprecherimpedanz an die Verstärkerimpedanz anzupassen. Eine nicht angepasste Impedanz kann zu einer verminderten Klangqualität, Überhitzung und Schäden an den Geräten führen.
Überprüfen Sie immer, ob die Lautsprecherimpedanz mit den Spezifikationen Ihres Verstärkers kompatibel ist.
Lautsprecherleistung und Empfindlichkeit
Viele Menschen gehen davon aus, dass eine höhere Wattzahl einen lauteren Klang bedeutet. Diese Annahme ist jedoch unvollständig.
Ein besserer Vergleichsmaßstab ist die Empfindlichkeit. Die Empfindlichkeit, gemessen in Dezibel (dB), gibt an, wie effizient ein Lautsprecher elektrische Energie in Schall umwandelt. Eine höhere Empfindlichkeit bedeutet, dass der Lautsprecher mit einer bestimmten Leistung mehr Schall erzeugt.
Empfindlichkeitswerte ermöglichen einen fairen Vergleich zwischen verschiedenen Lautsprechern. Bei Verwendung eines externen Verstärkers müssen Sie jedoch auch die Belastbarkeit berücksichtigen – die maximale elektrische Leistung, die ein Lautsprecher ohne Beschädigung aufnehmen kann. Passen Sie die Verstärkerleistung an die Nennleistung des Lautsprechers an.
Wählen Sie eine hohe Empfindlichkeit für Anwendungen, bei denen Energieeffizienz wichtig ist (tragbare Lautsprecher, Car-Audio-Systeme). Wählen Sie eine höhere Leistungskapazität für professionelle Audioanwendungen.
Frequenzgang
Der Frequenzgang beschreibt die Fähigkeit eines Lautsprechers, Töne über verschiedene Frequenzbereiche wiederzugeben. Ein Frequenzgangdiagramm zeigt Frequenzen, bei denen der Lautsprecher möglicherweise überbetont oder unterbetont wiedergibt.
Der Frequenzgang ist aus zwei Gründen wichtig. Erstens ist er bei der Entwicklung von Mehrfach-Treibersystemen und der Konfiguration von Frequenzweichen erforderlich. Zweitens hilft er Ihnen bei der Auswahl der richtigen Lautsprecher für Ihre spezifischen Anforderungen, sei es für professionelle Studioarbeit oder für das Hören zu Hause.
Viele Lautsprecher für Endverbraucher sind mit einer leichten Anhebung der tiefen und hohen Frequenzen abgestimmt, um das Hörerlebnis zu verbessern. Für die Musikproduktion sind jedoch Lautsprecher mit einem flachen Frequenzgang erforderlich. Ein flacher Frequenzgang stellt sicher, dass kein Instrument oder Sample durch Frequenzabfälle überdeckt oder durch Frequenzspitzen künstlich angehoben wird.
Lautsprecher mit flachem Frequenzgang liefern einen präzisen Klang, der die ursprüngliche Audioquelle genau wiedergibt, was für präzises Mischen und Mastern erforderlich ist.
Kopfhörer
Kopfhörer verwenden die gleiche Technologie wie Lautsprechertreiber, jedoch in kleinerem Maßstab. Es handelt sich um kleine Lautsprecher, die auf oder in den Ohren sitzen und den Klang direkt an den Hörer übertragen.
So funktionieren Stereolautsprecher
Ein einzelner Lautsprecher gibt den Ton in Mono wieder. Um einen vollen Stereoklang zu erzeugen, benötigen Sie zwei Lautsprecher, die jeweils linke und rechte Audiosignale übertragen und so positioniert sind, dass sie eine breite Klangumgebung schaffen.
Soundbars erzeugen eine Stereowiedergabe mithilfe mehrerer Treiber, die über das Gehäuse verteilt sind. Das Stereosignal wird in einen linken und einen rechten Kanal aufgeteilt, und jeder Treiber empfängt den ihm zugewiesenen Teil, um ein breiteres Stereobild zu erzeugen. Diese Systeme verfügen häufig über einen separaten Subwoofer für die Wiedergabe tiefer Frequenzen.
Die Geschichte der Lautsprecherentwicklung
Wie viele Erfindungen des frühen 20. Jahrhunderts wurde auch der Lautsprecher im Laufe der Zeit von mehreren Erfindern entwickelt, als das Verständnis von Schallwellen und elektrischen Strömen immer besser wurde.
Alexander Graham Bell, der Erfinder des Telefons, leistete einen bedeutenden Beitrag zur Audiotechnologie, indem er Ende des 19. Jahrhunderts eine frühe Version eines Lautsprechers entwickelte. Oliver Lodge schuf den ersten Lautsprecher mit beweglicher Spule. Im Jahr 1915 patentierten die dänischen Ingenieure Peter L. Jensen und Edwin Pridham den elektrodynamischen Lautsprecher, bei dem eine an einer Membran befestigte Drahtspule in ein Magnetfeld eingebracht wurde.
Im Jahr 1925 entwickelten Edward W. Kellogg und Chester W. Rice den dynamischen Lautsprecher mit einer Membran, der später von RCA lizenziert wurde. Ihr Entwurf enthielt viele Elemente, die die Grundlage der modernen Lautsprechertechnologie bilden.
Zahlreiche Ingenieure trugen zur Entwicklung der Technologie bei, die heute eine hochwertige Audiowiedergabe ermöglicht.
Die Zukunft der Lautsprechertechnologie
Die Kerntechnologie von Lautsprechern ist seit ihrer Erfindung weitgehend unverändert geblieben. Lautsprecher sind ineffiziente Energieumwandler – über 99 % der Eingangsleistung wird in Wärme statt in Schall umgewandelt.
Die zukünftige Lautsprechertechnologie könnte sich jedoch mit Graphen, einem 2004 entdeckten Material, ändern. Graphen ist leicht und benötigt weniger Energie, um sich zu bewegen und Schallwellen zu erzeugen. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft für Hochfrequenz-Treiber, die leichte Materialien für einen effizienten Betrieb bei hohen Frequenzen benötigen.
Wenn die Graphenproduktion für kommerzielle Produkte skaliert werden kann, könnten zukünftige Lautsprecher leichter und deutlich energieeffizienter sein.
Wichtige Erkenntnisse
- Lautsprecher wandeln elektrische Signale durch elektromagnetische Wechselwirkung zwischen einer Schwingspule und einem Permanentmagneten in Schall um.
- Die Membran bewegt sich als Reaktion auf die Bewegung der Schwingspule und erzeugt Druckwellen, die wir als Schall wahrnehmen.
- Um den gesamten Frequenzbereich effizient wiederzugeben, sind mehrere Treiber unterschiedlicher Größe erforderlich.
- Für eine optimale Leistung und die Sicherheit der Geräte ist eine Impedanzanpassung zwischen Lautsprechern und Verstärkern erforderlich.
- Die Empfindlichkeit gibt an, wie effizient ein Lautsprecher elektrische Energie in Schallleistung umwandelt.
- Ein flacher Frequenzgang ist für eine präzise Musikwiedergabe und Abmischung erforderlich.
- Die Lautsprechertechnologie ist seit den 1920er Jahren im Wesentlichen unverändert geblieben, obwohl die Materialien ständig verbessert werden.
FAQ
Ein Tieftöner ist ein großer Treiber, der für die Wiedergabe tiefer Frequenzen (Bässe) ausgelegt ist. Ein Hochtöner ist ein kleiner Treiber, der für die Wiedergabe hoher Frequenzen (Höhen) ausgelegt ist. Aufgrund physikalischer Einschränkungen ist jede Treibergröße für einen bestimmten Frequenzbereich optimiert – kleine Treiber können nicht genug Luft für Bässe bewegen, und große Treiber können sich nicht schnell genug für hohe Frequenzen bewegen.
Die Impedanz der Lautsprecher muss mit den Spezifikationen des Verstärkers übereinstimmen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb, eine optimale Klangqualität und die Sicherheit der Geräte zu gewährleisten. Eine nicht passende Impedanz kann zu einer verminderten Audioqualität, einer Überhitzung des Verstärkers und dauerhaften Schäden an den Geräten führen.
Die Lautsprecherempfindlichkeit, gemessen in Dezibel (dB), gibt an, wie effizient ein Lautsprecher elektrische Energie in Schallleistung umwandelt. Eine höhere Empfindlichkeit bedeutet, dass der Lautsprecher bei gleicher Leistungsaufnahme mehr Lautstärke erzeugt. Die Empfindlichkeit ist beim Vergleich der Lautstärkenpotenziale von Lautsprechern aussagekräftiger als die Nennleistung.
Ein flacher Frequenzgang bedeutet, dass der Lautsprecher alle Frequenzen gleichmäßig wiedergibt, ohne bestimmte Bereiche zu betonen oder zu reduzieren. Dies ist für die Musikproduktion notwendig, da es eine genaue Wiedergabe der Audioquelle gewährleistet und es den Produzenten ermöglicht, die richtigen Entscheidungen beim Mischen und Mastern zu treffen.
Eine Frequenzweiche teilt das Audiosignal in verschiedene Frequenzbereiche auf und leitet jeden Bereich an den entsprechenden Treiber weiter. Bei einem Zwei-Wege-Lautsprecher sendet die Frequenzweiche beispielsweise hohe Frequenzen an den Hochtöner und niedrige Frequenzen an den Tieftöner, sodass jeder Treiber nur die Frequenzen wiedergibt, für die er ausgelegt ist.
