Sie sind hier : Startseite →  Hifi Wissen und Technik→  Lautsprecher - (1) Boxen→  Lautsprecher-Technik 1988

Technik-Artikel 10 - teilweise aus einem Büchlein von 1988

Die beiden Autoren Michael Janitz und Claus Römer sind oder waren Ingenieure beim Südwestfunk Baden Baden (damals noch SWF, inzwischen SWR) und haben mehrere Aspekte der 1988 modernen Rundfunk- und Studiotechnik beschrieben. Die Didaktik ist vorbildlich und der Schreibstil ist mustergültig, darum hier ein paar Auszüge. Dies ist einer von mehreren Artikeln. Der nächste Artikel steht hier. Die Übersicht über alle diese Artikel steht hier.

.

Kriterien für Hifi-Lautsprecher (aus 1988 !!)

Der Lautsprecher steht immer wieder im Mittelpunkt zum Teil heftiger Diskussionen unter Hifi-Freunden, und sogar Ingenieurbüros und Hochschulinstitute arbeiten daran, seine Eigenschaften noch weiter zu verbessern.

Der große Durchbruch für den Lautsprecher
kam Ende der 20er Jahre mit der Erfindung des Tonfilms bzw. der Schallplatte, und einen weiteren Aufschwung gab es mit Beginn der Stereofonie.

Trotz jahrzehntelanger Anstrengungen in den Labors der Hi-Fi-Hersteller ist der Lautsprecher aber noch immer bemerkenswert weit davon entfernt, eine naturgetreue Umwandlung des elektrischen Signals in Schallwellen zu vollziehen. Die unzähligen Tests von Lautsprechervarianten aller Art zeigen immer wieder, daß das Ideal noch nicht erreicht worden ist, auch wenn es bei vielen Modellen nur noch ein kleiner Schritt bis zum Ziel zu sein scheint.

Daß beim Lautsprecher so viele Probleme auftreten, liegt an den hohen und vielseitigen Anforderungen, die an ihn gestellt werden. Als Nahtstelle zwischen dem rein elektrischen Signalweg und dem Übertragungsmedium Luft fällt dem Lautsprecher die wohl schwierigste Aufgabe in der Tonübertragung zu.

Die Anforderungen an einen Lautsprecher

Die wichtigsten Anforderungen an einen Lautsprecher sind folgende:

  • Er muß das gesamte, vom menschlichen Gehör wahrzunehmende Tonspektrum mit gleicher Stärke ohne hörbare Verzerrungen abstrahlen.
  • Außerdem muß die erforderliche Schalleistung für normale Wohnraumgrößen mit handelsüblichen Verstärkern erreichbar sein, d.h. es ist ein möglichst hoher Wirkungsgrad zu erreichen, und schließlich muß ein Lautsprecher den Schall in einem möglichst großen Raumwinkel gleichmäßig abstrahlen, um die räumliche Ortung zu gewährleisten.


Diese recht einfach klingenden Regeln muß der Lautsprecherkonstrukteur mit dem Funktionsprinzip in Einklang bringen.

Das Prinzip des dynamischen Lautsprechers

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen elektroakustischen Schallwandler zu bauen. Das am meisten verbreitete Prinzip ist im dynamischen Lautsprecher verwirklicht. Er besteht aus einer bewegten Schwingspule im Luftspalt eines möglichst starken Magneten. Die Spule ist dabei mit einer Membran verbunden, die es wiederum in verschiedenen Ausführungen geben kann.

Weit verbreitet ist die Konusmembran und die Kalotte. Die Konusmembran hat sich heute vor allem im tiefen und mittleren Tonbereich bewährt, während die Kalotte überwiegend im Hochtonbereich eingesetzt wird. Beide Membranformen garantieren einen relativ großen Abstrahlwinkel.

Nun können aber die einzelnen Chassis, bestehend aus Membran, Schwingspule und Magnet, nicht einfach irgendwo im freien Raum aufgehängt werden, sondern sie müssen in einer Schallwand untergebracht sein. Diese Schallwand verhindert, daß sich Schallwellen von der Vorder- und Rückseite der Membran gegenseitig beeinflussen.

Das allseits geschlossene Gehäuse

Der Idealfall, eine unendlich große Schallwand, ist jedoch in der Praxis nicht zu realisieren. Statt dessen wird die Schallwand entweder nach hinten geklappt und stellt in dieser Form ein offenes Lautsprechergehäuse dar, oder sie wird in einem weiteren Schritt hinter der Membran vollständig geschlossen. Damit ist dann eine akustisch geschlossene Box entstanden.

Die geschlossenen Boxen haben allerdings zwei wesentliche Nachteile: In ihrem Inneren entstehen störende Eigenresonanzen, und außerdem wird durch das notwendige Dämpfungsmaterial der Wirkungsgrad der Box herabgesetzt, weil die Bewegungsenergie der Schwingspule und der Membran in Wärme umgesetzt wird.

Die Resonanzen

Die Eigenresonanzen des Lautsprechers beeinflussen ganz erheblich den Frequenzgang, der möglichst eben verlaufen soll. Beim Lautsprecher behilft man sich mit Füllmaterial im Inneren der Box und großer Steifheit und Masse des Boxengehäuses.

Die einzelnen Resonanzlagen einer Lautsprecherbox erkennt man am Verlauf der Impedanzkurve, die meßtechnisch ermittelt wird. Boxen mit drei Chassis, also Dreiwegelautsprecher, haben in der Regel drei deutliche Resonanzspitzen, die gleichzeitig durch hohe Impedanzen zum Ausdruck kommen.

Wenn die Baßwiedergabe durch eine Ausgleichsöffnung verstärkt wird oder eine passive Membran zusätzlich im Gehäuse untergebracht ist, dann entsteht noch eine weitere Resonanz, die meistens unterhalb von 50 Hz liegt.

An den Resonanzstellen ist zwar der Wirkungsgrad der Box besonders groß, aber das nahezu freie Schwingen von Spule und Membran führt leicht zur Überbetonung des Frequenzgangs und im Extremfall zur mechanischen Zerstörung.

Die Impedanzkurve

Eine mehr oder weniger ausgeglichene Impedanzkurve ist der beste Beweis für eine ausreichend bedämpfte Lautsprecherbox, bei der auch mit einem fast ebenen Frequenzgang zu rechnen ist. Aus der Impedanzkurve ist aber noch mehr herauszulesen. Ihre tiefste Stelle zeigt an, wie stark ein Lautsprecher den Verstärkerausgang belastet.

Beide Geräte müssen deshalb genau aufeinander abgestimmt sein. Hier ein einfaches Beispiel: Wenn eine Lautsprecherimpedanz von 4 Ohm angegeben ist, dann darf das gemessene Minimum nicht unter 3,2 Ohm liegen. Andernfalls wird ein Verstärker, der auf die 4-Ohm-Box eingestellt ist, überlastet und reagiert mit Verzerrungen im Hochtonbereich. Dieses sogenannte "Clipping" des Verstärkers betrifft daher besonders die Hochtonlautsprecher.

Altern Lautsprecher? (Stand 1988 !!)

Beim Lautsprecher scheint die Frage des Alterns berechtigt zu sein, denn kein Hi-Fi-Gerät ist so extremen elektrischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Das wird besonders beim dynamischen Lautsprecher deutlich, der im wesentlichen aus einem Magneten, einer Schwingspule und einer Konusmembran besteht. Dabei stellen Schwingspule und Membran ein Schwingungssystem dar, in dem elektrische Energie in mechanische Schwingungsenergie umgewandelt wird. Von der Konusmembran wird schließlich die mechanische Schwingungsenergie an die Luft weitergegeben.

Ein Blick ins Innere des Lautsprechers zeigt die Schwingspule, aufgewickelt auf einen kleinen Kolben, den Schwingspulenträger, an dem zwei Membranen befestigt sind: eine kleine Zentriermembran zur Fixierung der Schwingspule im Magnetspalt und die wesentlich größere Konusmembran, die auch von außen sichtbar ist.

Sie besteht meistens aus Spezialpappe oder Kunststoff. Ein weiterer wichtiger Teil ist die Membranaufhängung am Rand, die in der Regel aus Schaumstoff, Gummi oder auch aus Kunststoff gefertigt ist. Der Schwingspulenträger und die Membran sind mit einem Klebstoff verbunden.

Bei einer derartigen Vielfalt sich bewegender Teile, Materialien und Klebestellen liegt es fast auf der Hand, daß ein Verschleiß- oder Alterungsprozeß auftreten muß.
-

Gefahr durch zu hohe Temperaturen (1988 !!)

Die größten Gefahren für einen dynamischen Lautsprecher gehen von großen Temperaturschwankungen, hoher Luftfeuchtigkeit und von der Sonneneinstrahlung aus. Auch mechanische Erschütterungen beim Transport oder während der Montage können einen Lautsprecher beschädigen.

Extreme Temperaturunterschiede treten vor allem in der unmittelbaren Nähe der Schwingspule auf, denn bei kräftigen Tonimpulsen und hohen Lautstärken fließen im Spulendraht beachtliche elektrische Ströme, die eine Aufheizung bis auf mehr als 100° Celsius bewirken können.

Die Lautsprecherkonstrukteure sind deshalb bestrebt, die Wärme möglichst rasch abzuleiten, indem entweder große Querschnitte der Schwingspule gewählt werden oder die Spule in eine Kühlflüssigkeit getaucht wird.

Da normale Flüssigkeiten aus dem Lautsprecher herausfließen würden, verwendet man für diesen Zweck magnetische Flüssigkeiten, sogenannte Magnetofluide. In diesen speziellen Flüssigkeiten schwimmen winzige Magnete aus Molekülen, die sich im Feld des Lautsprechermagneten ausrichten und so eine räumliche Bindung bewirken.

Doch auch bei dieser Kühltechnik handelt man sich oft auf Dauer den Nachteil ein, daß magnetische Flüssigkeiten bei Temperaturen über etwa 100° Celsius leicht verharzen können und damit bremsend auf die Schwingspule zurückwirken. Ohne Kühlmittel bleiben im Bereich der Schwingspule immer relativ große Temperaturunterschiede bestehen, die ihre Wirkung auf Klebestellen und Werkstoffe über längere Zeit nicht verfehlen. Es kommt zur Versprödung der Kleber und damit verbunden zur Gefahr des Ablösens.

Aber auch vor dieser endgültigen Beschädigung kann die Veränderung des Klebers zu wesentlichen Einflüssen auf die Membranbewegung führen. So können sich beispielsweise die Kontaktstellen zwischen Schwingspule und Membran so verhärten oder auch lockern, daß daraus ein verändertes Resonanzverhalten der Membran resultiert. Eine Versteifung der Membranaufhängung führt zu steigender Belastung der Membran, die möglicherweise über den vom Konstrukteur vorgesehenen Werten liegt. Alle diese Vorgänge wirken sich schließlich auf den Frequenzgang des Lautsprechers aus.

Sie wußten das mit der Sonne und den Schaumstoffsicken in 1988

Wenn man sich klarmacht, daß an der Kontaktstelle von Schwingspule und Membran Kräfte wirken, die einer Gewichtsauflage bis zu 25kg entsprechen, dann wundert man sich darüber, was ein Lautsprecher alles leisten muß. Aber damit nicht genug: Die Membran muß bei Impulsspitzen Beschleunigungen verkraften, die im Tieftonbereich bereits das 70fache der Erdbeschleunigung überschreiten. Kein Wunder also, daß viele Werkstoffe aus der Flugzeug-und Weltraumtechnik auch beim Lautsprecherbau Verwendung finden.

Da sich das Schwingungsverhalten einer Membran bis in den molekularen Bereich hinein abspielt, ist es auch verständlich, daß etwa energiereiche UV-Strahlung, z.B. von der Sonne, oder Oxidation zu Veränderungen des Materials führen können. Das gilt auch für Schaumstoff- und Gummieinspannungen. Weitere nachteilige Veränderungen können im Lauf der Jahre an Bauteilen der passiven Frequenzweiche oder beim Boxengehäuse auftreten.

Bei guter Verarbeitung aller Bauteile tritt eine Alterung aber kaum auf, und frühestens nach zehn Jahren ist mit geringfügigen Qualitätsänderungen zu rechnen, die aber meistens nicht hörbar sind.

Regalbox und Subwoofer

Der Lautsprecher ist das populärste Hi-Fi-Gerät, und fast jede Diskussion über technische Qualität und Leistungsvermögen einer Hi-Fi-Anlage dreht sich automatisch auf kurz oder lang um diesen Hi-Fi-Baustein.

Am beliebtesten sind bei Hi-Fi-Freunden die Regalboxen, die wegen ihrer handlichen Größe nahezu für jeden Wohnraum geeignet sind, aber nicht immer den Hi-Fi-Anforderungen entsprechen. Je kleiner nämlich das Gehäusevolumen einer Box ist, um so größer sind ihre Probleme bei der Baßwiedergabe, und so fällt der Frequenzgang zwischen 100 und 200Hz häufig sehr stark ab.

Die Ursache dafür liegt in physikalischen Gesetzen, die in einer relativ einfachen Beziehung zum Ausdruck kommen, denn es gibt drei Größen, die in einem festen Verhältnis zueinander stehen:

  • das Gehäusevolumen,
  • die untere Übertragungsfrequenz und
  • der Wirkungsgrad.

-

Der Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad spielt eine wichtige Rolle bei der Leistungsbestimmung des HiFi-Verstärkers. Ein hoher Wirkungsgrad erfordert geringere Leistung. Da kleine Lautsprecher einen geringen Wirkungsgrad besitzen, sind in der Regel leistungsfähige Verstärker gefragt. Zwischen Gehäusevolumen und Wirkungsgrad besteht ein linearer Zusammenhang.

Anders liegen die Verhältnisse im Zusammenspiel von Gehäusevolumen und der untersten Übertragungsfrequenz. Soll z.B. der Baßbereich um eine Oktave, also die doppelte Frequenz, ausgedehnt werden, so muß das Gehäusevolumen um den Faktor 8 erhöht werden. Der Konstrukteur von kleinen Lautsprechern muß also einen Kompromiß finden, der zwischen einem vernünftigen Gehäusevolumen und einer möglichst niedrigen Übertragungsfrequenz liegt.

Für die Regalboxen bieten sich im wesentlichen zwei Möglichkeiten an, zu einem Optimum zu kommen: Das Konzept einer aktiven Box oder ein separater Baßlautsprecher in einem eigenen Gehäuse, der sogenannte Subwoofer.

Der Subwoofer - der Tiefbasslautsprecher

Im ersten Fall wird eine elektronische Schaltung direkt im Lautsprechergehäuse untergebracht, die bei richtiger Abstimmung den schlechten Frequenzgang im Baßbereich entzerrt. Deswegen ist diese Technik auch unter der Bezeichnung Baßentzerrung in der Hi-Fi-Welt bekannt geworden. Außerdem wird mit einer weiteren Schaltung bei diesen Boxenmodellen die Auslenkung der Tieftonmembrane ständig überwacht und, wenn erforderlich, bei großen Membranbewegungen korrigiert.

Beim Einsatz eines getrennten Baßlautsprechers kann prinzipiell auf elektronische Schaltungen verzichtet werden, auch wenn einige Konstrukteure der Meinung sind, daß die Anpassung mit einem aktiven Subwoofer besser zu vollziehen ist.

Der Baßlautsprecher wird nicht mit dem Mittel- und Hochtonlautsprecher zusammen in ein Gehäuse gepackt, sondern getrennt z.B. vor dem Regal auf dem Boden aufgestellt. Im Regal verbleiben dann lediglich die Mittel- und Hochtöner, die wie bekannt kein großes Gehäusevolumen benötigen.

Da im unteren Baßbereich bei etwa 100 Hz und darunter das menschliche Ohr keine räumliche Ortung mehr vornehmen kann und viele stereofone Produktionen deshalb diesen Frequenzbereich in Mono übertragen, ist lediglich ein Baßlautsprecher nach diesem Konzept erforderlich. Als bester Aufstellungsort hat sich in vielen Versuchen der Platz zwischen den Mittel-Hochtonlautsprechern erwiesen, die dabei etwa in Kopfhöhe im Regal untergebracht sind.

Die elektrische Belastbarkeit

Die wohl häufigste Ursache für die Zerstörung eines Lautsprecherchassis ist die falsche Anpassung der Verstärkerleistung an die elektrische Belastbarkeit eines Lautsprechers. Es sind nicht immer die Verstärker mit hohen Ausgangsleistungen, die einen Lautsprecher zerstören können, sondern die zu schwachen und labilen Endstufen.

Die Gefahr, mit einem 25Watt Verstärker eine 100W Box zu beschädigen, ist wesentlich größer, als mit einem 150 oder 200W Verstärker. Die Ursache dafür sind die sogenannten Clipping-Verzerrungen, die immer dann auftreten, wenn vom Verstärker mehr Leistung zum Erzeugen einer großen Lautstärke abverlangt wird, als er vom Konzept her liefern kann. Ein so übersteuerter Verstärker beschneidet dann die Signalspitzen und nimmt ihnen damit ihre natürlichen Rundungen, wie sie die bekannten Sinussignale zeigen.

Das Tonsignal erhält damit ein mehr oder weniger eckiges Aussehen, welches in der Elektronik mit dem Auftreten energiereicher Oberwellen gleichbedeutend ist. Außerdem entstehen Gleichspannungssprünge, die bei tiefen Frequenzen besonders ausgeprägt sind und deshalb auch voll zu Lasten der Tieftöner gehen. Extremes Clipping eines zu schwachen Verstärkers kann also Hoch- und Tieftöner gleichzeitig außer Betrieb setzen.

Über die Ausgangsleistung eines Verstärkers

Andere Verhältnisse gelten dagegen z.B. bei der Kombination eines 100W Verstärkers mit einer 50W Box. Wird dieser Verstärker auf dieselbe Lautstärke wie ein schwächerer Verstärker eingestellt, so entsteht kein Clipping, auch wenn die 50W Box in diesem Fall überlastet wird.

Da es sich aber immer noch um unverfälschte, also nicht beschnittene Tonsignale handelt, reagiert die Box lediglich mit höheren Verzerrungen bei großer Lautstärke. Nur wenn die Überlastung längere Zeit anhält, stellt sich auch hier durch Überhitzung ein mechanischer Schaden des Lautsprecherchassis ein.

Die Ausgangsleistung eines Verstärkers (in Watt) sollte mindestens der elektrischen Belastbarkeit des Lautsprechers angeglichen sein. Die Belastbarkeit bezieht sich dabei auf ein weit verteiltes Rauschspektrum mit unterschiedlichen Energieanteilen, und der Lautsprecher muß mit seinen einzelnen Chassis insgesamt eine elektrische Belastbarkeit von z.B. 80 Watt aushalten, wobei diese mit aus der Rauschkurve abgeleiteten Prozentanteilen belastet werden.

Die Ermittlung der Belastbarkeit (1988)

Inzwischen orientiert man sich nicht mehr unbedingt an einer Rauschkurve, sondern wählt als Bezugspunkt die Energieverteilung von Unterhaltungsmusik.

So ist unter Berücksichtigung einer 3Wege Box, also mit Tief-, Mittel- und Hochtöner sowie vorgegebener Frequenzaufteilung in einer Weiche, z.B. eine Leistungsverteilung möglich, die folgendermaßen aussieht:

  • 62% für den Tieftöner
  • 30% für den Mitteltöner und
  • 8% für den Hochtöner.


Zusammen ergibt das dann die theoretischen 100%. Im Falle einer 80Watt Box entfallen 50W auf das Tieftonchassis, 24W auf den Mitteltöner und schließlich nur 6W auf den Hochtöner. Wählt man als Referenz E-Musik, so geht der Leistungsanteil für den Hochtöner noch weiter zurück. Oberhalb 5 kHz treten dann nur noch sehr geringe Leistungen auf.

Ständige Gefahr für den Hochtöner

Bei Überlastungen ist in erster Linie immer der Hochtöner betroffen, wenn zuviel Leistung in das entsprechende Chassis gelangt. Aber auch ein Tieftöner kann bei starken Gleichspannungen schnell bis an seine Grenze belastet werden.
-

Hörbar aber unsichtbar, die Gefahr für den Tieftöner

Sie entstehen z.B. durch verwellte Platten oder tieffrequente Tonarmresonanzen und keine oder mangelhafte Subsonic-Filterung. Wird ein Tonarm durch Baßlautsprecher zum Schwingen angeregt, wenn also der Raum resoniert, kann die Rückkopplung den Tieftöner überlasten und zur Zerstörung führen.

Der Plattenspieler sollte deshalb (theoretisch) immer etwas seitlich oder hinter dem Lautsprecher aufgestellt sein, niemals im direkten Strahlungsfeld des Tieftöners.

Schließlich sei noch auf eine weitere Ursache von Überlastungen des Tieftonlautsprechers hingewiesen: Auf die sogenannte Loudness-Schaltung, die den nichtlinearen Verlauf der menschlichen Gehörkurve ausgleichen soll. Wenn jedoch die Anhebung der Bässe überbetont wird, kann ein Tieftöner überlastet und beschädigt werden.
.

Anmerkung :
Weniger bekannt sind ältere Endstufen ähnlich den in den Braun LV720 Aktivlautsprechern verauten Typen, die am Ausgang die Gleichspannung (also die halbe Versorgungsspannung) durch einen (Koppel-) Kondensator abblocken. Wenn der einen Kurzschluss bekommt, sind die Basschassis meist zerstört.

Weiterhin wird bei älteren, teils auch noch bei moderneren Transistorverstärkern der Ruhestrom oft von Hand eingestellt und bestimmt damit auch den Gleichspannungsanteil von wenigen Millivolt am Ausgang zum Lautsprecher. Verschiebt sich dieser Arbeitspunkt und wird nicht automatisch korrigiert, können mehrere Volt Gleichspannung langfristig auch das oder die Basschassis zerstören.
.

Dies ist einer von mehreren Artikeln.
Der nächste Artikel steht hier.
Die Übersicht über alle diese Artikel steht hier.
.

- Werbung Dezent -
Zurück zur Startseite © 2007/2019 - Deutsches Hifi-Museum Wiesbaden - Copyright by Dipl. Ing. Gert Redlich - DSGVO - Privatsphäre - Zum Telefon der Redaktion - Zum Flohmarkt
Bitte einfach nur lächeln: Diese Seiten sind garantiert RDE / IPW zertifiziert und für Leser von 5 bis 108 Jahren freigegeben - kostenlos natürlich.

Privatsphäre : Auf unseren Seiten werden keine Informationen an google, twitter, facebook oder andere US-Konzerne weitergegeben.