Wie funktionieren Lautsprecher?

Obwohl es Hi-Fi-Lautsprecher schon seit über 70 Jahren gibt, mögen diese Holzkisten mit ihren verschiedenen Komponenten und Öffnungen für viele Neulinge in der Audiowelt mysteriös wirken. Aus diesem Grund haben wir diesen Artikel für diejenigen zusammengestellt, die gerade erst ihre Reise in die Welt des hochwertigen Klangs beginnen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass sich das Grundprinzip der Funktionsweise von Lautsprechern – oder akustischen Wandlern – trotz jahrzehntelanger technologischer Fortschritte in Design und Fertigung seit ihrer Einführung im Jahr 1925 durch Edward Kellogg und Chester Rice kaum verändert hat Ob winzige Lautsprecher in Ihrem Smartphone, die Soundbar unter Ihrem Fernseher oder die riesigen Lautsprecher bei einem Konzert – sie alle haben das gleiche grundlegende Design.

Die Entwicklung von Hi-Fi-Systemen hat uns eine unglaubliche Klangqualität beschert, aber wenn Sie die Grundprinzipien der Lautsprechertechnologie verstehen, können Sie beim Aufbau Ihres eigenen Audiosystems fundiertere Entscheidungen treffen.

Wie funktioniert ein Redner?

Bevor wir uns mit den Einzelheiten der Funktionsweise von Lautsprecherkomponenten befassen, nehmen wir uns einen Moment Zeit, um zu verstehen, wie Lautsprecher im Allgemeinen Klang erzeugen. Das verstärkte Audiosignal wird an eine Metallspule aus Draht gesendet. Während der elektrische Strom durch die Spule fließt, interagiert er mit einem Magneten im Inneren des Lautsprechers, wodurch die Membran vibriert.

Diese Vibrationen bewegen die Luft und erzeugen Schallwellen, die eine exakte Nachbildung des ursprünglichen Audiosignals sind. Und schon hört man den Ton – sei es Musik oder die Stimme von jemandem. Natürlich ist dies eine vereinfachte Erklärung, aber da wir nun ein grundlegendes Verständnis haben, wollen wir es weiter aufschlüsseln.

Der Lautsprecher oder Schallwandler ist die Schlüsselkomponente jedes Lautsprechersystems und ermöglicht es uns, Audio zu hören. Seine Aufgabe besteht darin, das elektrische Signal vom Verstärker in akustische Schallwellen umzuwandeln, die sich durch die Luft bewegen und unsere Ohren erreichen.

Für den Anschluss an den Verstärker verfügt der Lautsprecher über zwei Anschlüsse, die mit einer im Inneren des Lautsprechers verborgenen Schwingspule verbunden sind. Diese Spule sitzt in einem schmalen Spalt zwischen den Polen eines Permanentmagneten auf der Rückseite des Lautsprechers. Wenn Wechselstrom (das elektrische Audiosignal) durch die Spule fließt, bewegt sie sich hin und her – nach den Prinzipien des Elektromagnetismus, die wir alle in der Schule gelernt haben.

Da die Spule an der Membran befestigt ist, die an der Vorderseite des Lautsprechers sichtbar ist, bewegt sich auch die Membran (oder der Kegel) hin und her. Diese Bewegungen erzeugen die Schallwellen, die wir als Schall wahrnehmen. Damit sich die Membran frei bewegen kann, ist sie auf einer flexiblen Einfassung montiert. Je größer die Amplitude der Membranbewegung ist, desto lauter ist der Ton, den wir hören.

Was steckt in einem Lautsprecher?

Werfen wir einen Blick in das Innere eines Lautsprechers und erläutern wir, welche Rolle die einzelnen Teile bei der Klangerzeugung spielen.

Lautsprecher

Die Hauptaufgabe eines Lautsprechers besteht darin, ein elektrisches Signal in Schallwellen umzuwandeln. Es ist im Wesentlichen der „Motor“, der die Tonproduktion antreibt.

Zu den wichtigsten Komponenten eines Redners gehören:

• Pole;
• Rückplatte;
• Magnet;
• Obere Platte;
• Schwingspule;
• Korb;
• Spinne;
• Kegel und Einfassung;
• Staubkappe.

Stange, Rückplatte und obere Platte

Der Pol fungiert wie ein Leiter und koordiniert das gesamte Magnetsystem des Lautsprechers. Es sitzt in der Mitte und leitet das Magnetfeld. Die Rückplatte befindet sich hinter der Stange, während die obere Platte direkt darüber positioniert ist.

Magnet

Der Magnet sorgt für eine konstante magnetische Energiequelle im Lautsprecher, umgeben von der Stange und den Platten, die dabei helfen, das Magnetfeld zu fokussieren. Er wird am Korb des Lautsprechers befestigt und wird als Permanentmagnet bezeichnet, da er seine magnetischen Eigenschaften unbegrenzt behält. Andererseits wird die Schwingspule, die mit dem Magneten interagiert, erst dann magnetisch, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt.

Schwingspule

Die Schwingspule ist ein Draht, der eng um einen kleinen Zylinder gewickelt ist, der manchmal auch Spulenkörper genannt wird. Stellen Sie es sich wie ein Jo-Jo vor. Wenn ein elektrisches Signal durch die Spule geleitet wird, wird sie zu einem Elektromagneten, der mit dem Permanentmagneten im Lautsprecher interagiert. Wenn Sie sich an Ihren Physikunterricht erinnern, wissen Sie, dass sich gleiche Ladungen abstoßen und entgegengesetzte Ladungen anziehen. Durch diese magnetische Wechselwirkung bewegt sich die Spule hin und her und erzeugt letztendlich Schallwellen.

Spinne und Surround

Die Spinne ist ein gewelltes Material, das die Schwingspule trägt, sie an Ort und Stelle hält und ihr gleichzeitig ermöglicht, sich strikt vorwärts und rückwärts zu bewegen. Auch wenn es kontraintuitiv erscheinen mag, sorgt die Spinne dafür, dass sich die Spule nicht seitwärts verschiebt und sorgt so für eine stabile Bewegung.

Die Einfassung erfüllt einen ähnlichen Zweck wie der Kegel. Es hält den Konus an der Oberseite des Lautsprecherkorbs an Ort und Stelle und ermöglicht so eine reibungslose Bewegung bei der Tonerzeugung.

Kegel

Der Konus, auch Membran genannt, ist einer der wenigen sichtbaren Teile des Lautsprechers. Es bewegt sich als Reaktion auf magnetische Impulse von der Schwingspule hin und her. Diese Bewegung erzeugt Druckwellen in der umgebenden Luft und erzeugt die Geräusche, die wir hören.

Staubkappe

Die Staubkappe ist eine kleine Komponente, die die Innenteile des Lautsprechers vor Staub und Schmutz schützt und so mögliche Schäden verhindert.

Korb

Der Korb ist der Rahmen, der alle Lautsprecherkomponenten zusammenhält. Wie der Name schon sagt, funktioniert es wie ein Korb, der alle Teile in einer einheitlichen Struktur zusammenfasst.

So funktioniert ein Lautsprecher. Wenn wir jedoch von „Lautsprechern“ sprechen, beziehen wir uns normalerweise auf das gesamte System und nicht nur auf die internen Komponenten. Aber was ist sonst noch nötig, damit Redner effektiv arbeiten?

Elektrische Komponenten

Damit die Schwingspule einen Ton erzeugt, benötigt sie ein elektrisches Signal. Hier kommen Lautsprecheranschlüsse und geflochtene Kabel ins Spiel. Die Anschlüsse sind die metallischen Verbindungspunkte oder Anschlüsse, an denen das Audiokabel mit dem Lautsprecher verbunden wird.

Diese Anschlüsse sind mit dem geflochtenen Draht verbunden, der die Schwingspule speist, und liefern so den nötigen „Brennstoff“, um sie mit Strom zu versorgen. Dieser Draht ist für die Übertragung des elektrischen Signals verantwortlich, das in Ton umgewandelt wird.

Gehäuse

Das Gehäuse oder das Lautsprecher-„Gehäuse“ spielt eine entscheidende Rolle für die Funktionsweise des Lautsprechers. Erstens bietet es ein abgedichtetes Gehäuse, das die internen Komponenten vor Staub, Schmutz und äußeren Einflüssen wie Tierhaaren schützt.

Zweitens trägt das Gehäuse dazu bei, Phasenverzerrungen zu reduzieren. Wenn sich die Membran des Lautsprechers bewegt, erzeugt sie Schallwellen in beide Richtungen. Ohne das Gehäuse könnten sich diese Wellen gegenseitig aufheben, was zu einer schlechten Klangqualität führen würde.

Schließlich beeinflusst das Gehäuse die Klangrichtung und die Bassabstimmung. Ein gut gestaltetes Gehäuse kann dazu beitragen, den Schall dorthin zu leiten, wo er benötigt wird, und die Wahrnehmung niedriger Frequenzen zu verbessern.

Das Gehäuse besteht typischerweise aus dichtem, starrem Material, um unerwünschte Resonanzen und Vibrationen zu verhindern. Die gebräuchlichsten Materialien sind Holz oder MDF (mitteldichte Faserplatten), manchmal kommt aber auch Kunststoff zum Einsatz.

Wie reproduzieren Lautsprecher unterschiedliche Frequenzen?

Wir haben bereits erläutert, wie Lautsprecher elektrische Energie in Schallwellen umwandeln. Allerdings sind nicht alle Klangfrequenzen gleich, und wenn ein einzelner Lautsprecher versucht, das gesamte Klangspektrum zu bewältigen, leidet die Qualität.

Deshalb sieht man bei Konzerten oft riesige Stapel von Audiosystemen. Jeder Lautsprecher ist für einen bestimmten Frequenzbereich ausgelegt: Subwoofer und Tieftöner verwalten die tiefen Frequenzen, Mitteltöner decken den Mitteltonbereich ab und kleine Hochtöner kümmern sich um die hohen Frequenzen. Diese Lautsprecher sind unterschiedlich gebaut, um diese unterschiedlichen Bereiche zu bewältigen.

Natürlich möchten die meisten Menschen ihr Studio oder Wohnzimmer nicht mit einem großen Lautsprecherstapel und separaten Treibern für jede Frequenz füllen. Hier kommen Multi-Treiber-Lautsprecher ins Spiel.

Lautsprecher mit mehreren Treibern

Lautsprecher mit mehreren Treibern verwenden zwei, drei oder sogar vier Treiber unterschiedlicher Größe, um verschiedene Frequenzen zu verarbeiten. Der gebräuchlichste Typ ist der Zwei-Treiber-Lautsprecher, der oft als Zwei-Wege-System bezeichnet wird.

Im Inneren eines Zwei-Wege-Lautsprechers befindet sich eine Frequenzweiche – eine spezielle Komponente, die das Audiosignal in verschiedene Frequenzbereiche aufteilt. Die hohen Frequenzen werden an den Hochtöner gesendet, während die mittleren und tiefen Frequenzen an den Tieftöner geleitet werden, wobei die Frequenzen mithilfe von Filtern entsprechend aufgeteilt werden.

Durch den Einsatz einer Frequenzweiche kann der Lautsprecher das gesamte Klangspektrum in einer Qualität wiedergeben, die mit nur einem einzigen Treiber nicht möglich wäre.

Hochtöner und Tieftöner

Wie Sie bemerkt haben, verfügen die meisten Hi-Fi-Lautsprecher über mehrere Treiber unterschiedlicher Größe auf der Vorderseite. Aber warum ist das so? Während theoretisch ein einzelner Treiber den gesamten Bereich der Audiofrequenzen wiedergeben kann, gibt es bei diesem Ansatz praktische Einschränkungen.

Hochtöner und Tieftöner

Ein kleiner Treiber kann nicht genug Luft bewegen, um tiefe Frequenzen mit ausreichender Lautstärke zu erzeugen. Auf der anderen Seite weisen größere Treiber, die den Bass gut verarbeiten, mechanische Einschränkungen auf, die sie daran hindern, hohe Frequenzen effizient wiederzugeben. Ein weiteres wichtiges Merkmal von Treibern ist die Richtwirkung, die sich auf den Winkel bezieht, innerhalb dessen der Klang richtig ausbalanciert ist. Die Richtwirkung eines Treibers hängt von seiner Größe ab: Größere Treiber haben bei hohen Frequenzen eine engere Richtwirkung, während kleinere bei niedrigen Frequenzen Probleme haben.

Hochfrequenzlautsprecher

Um einen hochwertigen, ausgewogenen Klang über alle Frequenzen hinweg zu erzielen, verwenden Lautsprecher mehrere Treiber unterschiedlicher Größe. Jeder Treiber ist speziell für die Verarbeitung eines bestimmten Frequenzbereichs konzipiert – niedrig, mittel oder hoch. Um sicherzustellen, dass jeder Treiber nur die Frequenzen empfängt, für die er ausgelegt ist, wird eine spezielle Komponente namens Crossover verwendet, die das Audiosignal in verschiedene Frequenzbänder aufteilt. Aber darüber reden wir beim nächsten Mal.

Was ist die Lautsprecherimpedanz?

Unter Lautsprecherimpedanz versteht man den Gesamtwiderstand gegen den Stromfluss in einem Lautsprecher. Er wird in Ohm gemessen und umfasst sowohl den Widerstand des Schwingspulendrahts als auch die Induktivität, die dadurch entsteht, dass der Draht zu einer Spule gewickelt wird. Im Gegensatz zum Standardwiderstand ändert sich die Induktivität mit der Frequenz des Signals, ein Phänomen, das als induktive Reaktanz bezeichnet wird.

Aufgrund dieser Variablen unterscheidet sich die Impedanz vom „normalen“ Widerstand und wird anhand komplexer Formeln berechnet, die Sie sich nicht merken müssen, es sei denn, Sie sind Ingenieur. Denken Sie daran, dass die Anpassung der Impedanz Ihrer Lautsprecher und Ihres Verstärkers für eine optimale Leistung von entscheidender Bedeutung ist. Eine nicht übereinstimmende Impedanz kann zu einer geringeren Klangqualität, Überhitzung und sogar zu Geräteschäden führen.

Stellen Sie daher immer sicher, dass Ihre Lautsprecher mit Ihrem Verstärker kompatibel sind, um Probleme zu vermeiden und hochwertigen Klang zu genießen, ohne Ihre Ausrüstung zu gefährden!

Lautsprecherleistung vs. Lautsprecherempfindlichkeit

„Größer ist besser“, oder?

Nicht immer. Viele Leute denken, dass eine höhere Wattzahl der Lautsprecher automatisch einen lauteren Klang bedeutet. Aber werden Sie in Wirklichkeit überhaupt in der Lage sein, all diese Kraft voll auszunutzen?

Eine bessere Möglichkeit, Lautsprecher zu vergleichen, ist die Betrachtung ihrer Empfindlichkeit. Die in Dezibel (dB) gemessene Empfindlichkeit gibt Auskunft darüber, wie effizient ein Lautsprecher elektrische Energie in Schall umwandelt. Je höher die Empfindlichkeit, desto mehr Klang kann der Lautsprecher mit einer bestimmten Leistung erzeugen. Mit anderen Worten: Es kann Elektrizität besser in Schallwellen umwandeln.

Empfindlichkeitsbewertungen gleichen die Wettbewerbsbedingungen beim Vergleich von Lautsprecherleistung und -stärke aus. Wenn Sie jedoch einen externen Verstärker verwenden, müssen Sie dennoch berücksichtigen, wie viel Leistung die Lautsprecher vertragen. Die Belastbarkeit gibt an, wie viel elektrische Leistung ein Lautsprecher aushalten kann, ohne Schaden zu nehmen. Daher ist es wichtig, die Ausgangsleistung Ihres Verstärkers an die Nennleistung des Lautsprechers anzupassen.

Die Wahl zwischen hoher und niedriger Empfindlichkeit hängt von den Anforderungen Ihres Systems ab. Wenn Energieeffizienz wichtig ist (z. B. bei tragbaren Lautsprechern oder Autoradiosystemen), benötigen Sie Lautsprecher mit höherer Empfindlichkeit. In einem professionellen Audio-Setup hingegen benötigen Sie möglicherweise Lautsprecher mit höherer Leistungskapazität.

Frequenzgang

Wenn wir über den Frequenzgang eines Lautsprechers sprechen, geht es um seine Fähigkeit, Klang über verschiedene Frequenzbereiche hinweg wiederzugeben. Da kein Lautsprecher perfekt ist, hilft ein Frequenzgangdiagramm dabei, die Frequenzen aufzudecken, bei denen der Lautsprecher entweder überbetont oder unterdurchschnittlich abschneidet.

Der Frequenzgang ist aus mehreren Gründen wichtig. Erstens ist es von entscheidender Bedeutung beim Entwurf von Systemen mit mehreren Treibern und beim Einrichten von Frequenzweichen, die die Frequenzen auf verschiedene Treiber aufteilen. Zweitens hilft es Ihnen bei der Auswahl der richtigen Lautsprecher für Ihre spezifischen Audioanforderungen, sei es für professionelle Studioarbeit oder zum Musikhören zu Hause.

Viele Verbraucherlautsprecher sind absichtlich auf eine leichte „Smile“-Kurve in ihrem Frequenzgang abgestimmt, um das Klangerlebnis zu verbessern. Wenn Sie jedoch in der Musikproduktion tätig sind, benötigen Sie Lautsprecher mit einem flachen Frequenzgang. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Instrument oder Sample durch Einbrüche im Frequenzbereich maskiert oder durch Spitzen künstlich verstärkt wird.

Im Wesentlichen liefern Lautsprecher mit einem flachen Frequenzgang einen präzisen, sauberen Klang, der die ursprüngliche Audioquelle genau wiedergibt, was für präzises Mischen und Mastern von entscheidender Bedeutung ist.

Was ist mit Kopfhörern?

Kopfhörer verwenden die gleiche Technologie wie Lautsprechertreiber, jedoch in kleinerem Maßstab. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um winzige Lautsprecher, die auf oder in Ihren Ohren sitzen und einen personalisierten Klang liefern.

Wie funktionieren Stereolautsprecher?

Ein einzelner Lautsprecher gibt den Ton normalerweise in Mono wieder. Um eine vollständige Stereo-Klangbühne zu erreichen, benötigen Sie zwei Lautsprecher, die jeweils die linken und rechten Audiosignale übertragen und so positioniert sind, dass eine geräumige Klangumgebung entsteht.

Aber was ist mit Soundbars? Wie erzeugen sie einen Stereoeffekt?

Soundbars, die für die Stereoausgabe konzipiert sind, verfügen über mehrere Treiber, die über das Gehäuse verteilt sind. Das Stereosignal wird in einen linken und einen rechten Kanal aufgeteilt und jeder Treiber erhält seinen Anteil, um ein breiteres Stereobild zu erzeugen. Diese Systeme sind oft mit einem zusätzlichen Subwoofer für tiefe Bässe ausgestattet – perfekt für die Wiedergabe tiefer Frequenzen oder Batmans rauer Stimme.

Wer hat den Lautsprecher erfunden?

Wie bei vielen anderen Erfindungen des frühen 20. Jahrhunderts ist es schwierig, nur einer Person die Erfindung des Lautsprechers zuzuschreiben. Die Technologie entwickelte sich im Laufe der Zeit weiter, da Wissenschaftler und Ingenieure ein besseres Verständnis von Schallwellen und elektrischen Strömen erlangten.

Alexander Graham Bell, der berühmte Erfinder des Telefons, leistete bedeutende Beiträge zur Audiotechnologie und entwickelte im späten 19. Jahrhundert eine der frühesten Versionen eines Lautsprechers. Nicht lange danach entwickelte Oliver Lodge den ersten Moving-Coil-Lautsprecher. 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 gebracht wurde.

Auf der anderen Seite des Atlantiks entwickelten Edward W. Kellogg und Chester W. Rice 1925 den dynamischen Lautsprecher mit Membran, der später von RCA lizenziert wurde. Ihr Design umfasste viele Elemente, die die Grundlage moderner Lautsprechertechnologie bilden.

Man kann also mit Sicherheit sagen, dass viele Menschen zur Entwicklung der Technologie beigetragen haben, die es Ihnen heute ermöglicht, Musik und Filme in hochwertiger Tonqualität zu genießen. Wie bei vielen großartigen Erfindungen brauchte es wirklich ein ganzes Dorf, um den modernen Lautsprecher zum Leben zu erwecken!

Die Zukunft akustischer Systeme

Technologie wird immer kleiner und billiger – das ist eine Tatsache. Doch bei Lautsprechern ist die Kerntechnologie seit ihrer Erfindung praktisch unverändert geblieben.

Tatsächlich sind Lautsprecher eine der ineffizientesten Technologien, die wir heute verwenden. Über 99 % der Energie, die in einen Lautsprecher eingespeist wird, wird nicht in Ton umgewandelt. Der Großteil davon geht als Wärme verloren. Es ist überraschend, dass die Environmental Protection Agency (EPA) Lautsprecher wegen ihrer schlechten Energieeffizienz noch nicht verboten hat.

Allerdings könnte sich die Zukunft der Lautsprecher dank eines neuen Materials, das 2004 entdeckt wurde – Graphen, ändern. Dieses Material ist unglaublich leicht, was bedeutet, dass es viel weniger Energie benötigt, um sich hin und her zu bewegen und Schallwellen zu erzeugen. Das sind großartige Neuigkeiten, insbesondere für Hochtöner, die solch leichte Materialien benötigen, um bei hohen Frequenzen effizient zu funktionieren.

Wenn es Wissenschaftlern gelingt, die Graphenproduktion erfolgreich zu steigern und in kommerzielle Produkte zu integrieren, könnten die Lautsprecher der Zukunft leichter und weitaus energieeffizienter sein.

Bis dahin müssen wir uns mit dem begnügen, was wir jetzt haben: Mini-Raumheizgeräte, die elektrische Signale in Luftdruckänderungen umwandeln, auch Lautsprecher genannt.