Wie funktionieren Lautsprecher?

Obwohl es sowohl bei der Konstruktion als auch bei der Herstellung von Lautsprechern erhebliche Fortschritte gegeben hat, haben sich die Grundlagen der Lautsprechertreibertechnologie seit fast 100 Jahren nicht verändert: Der dynamische Treiber von Edward Kellogg und Chester Rice aus dem Jahr 1925 ist auch heute noch die Grundlage praktisch aller Lautsprecher auf dem Markt, von denen in Ihrem Telefon bis hin zu denen in Ihrem Heimkinosystem.

Aber wie funktionieren die Lautsprecher? Beginnen wir mit den Grundlagen.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde am 12. März 2021 aktualisiert, um mehr technische Informationen aufzunehmen.

Wie Lautsprecher funktionieren: die Grundlagen

Ein Lautsprechertreiber ist die elektroakustische Komponente, die einen Lautsprecher zum Funktionieren bringt. Als Wandler hat er die Aufgabe, Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln. Konkret wandelt dieser Wandler die verstärkten elektrischen Wellen von Ihrem Abspielgerät, sei es Ihr Telefon oder der Tonabnehmer Ihres Plattenspielers, in Schalldruckwellen in der Luft um, die Ihre Ohren wahrnehmen können.

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Der Lautsprechertreiber: ein einfacher, aber genialer elektromagnetischer Motor

Ein Verstärker speist ein Signal in zwei Klemmen auf der Rückseite eines Lautsprechers. Diese Klemmen leiten den Strom in eine zylindrische Drahtspule, die im kreisförmigen Spalt zwischen den Polen eines Permanentmagneten aufgehängt ist. Diese Spule bewegt sich im Magnetfeld hin und her, da der durch sie fließende Strom gemäß dem Faraday’schen Gesetz mit dem angelegten Signal die Richtung wechselt. Die Mitte der Lautsprechermembran ist an einem Ende befestigt, das von der sich bewegenden Spule hin und her bewegt wird. Diese Membran wird an den Rändern von einer luftdichten Aufhängung oder Sicke gehalten. Während sich die Membran bewegt, drückt und zieht sie die umgebende Luft; dadurch erzeugt sie Druckwellen in der Luft, die als Schall bezeichnet werden.

So funktioniert also der Lautsprechertreiber, aber warum scheinen sie immer in Boxen eingebaut zu sein? Wenn der Lautsprecher selbst Schall erzeugt, wozu ist dann die Box da? Und was ist mit den Anschlusslöchern und den anderen Teilen?

Warum werden Lautsprecher in Boxen eingebaut?

Wenn sich die Membran eines Lautsprechers bewegt, erzeugt sie eine Druckwelle sowohl von vorne als auch von hinten. Während er sich auf Sie zubewegt, die Luft antreibt und einen positiven Druck erzeugt, zieht er gleichzeitig die Luft hinter sich an, wodurch ein negativer Druck entsteht. Wenn die Wellenlänge, die der Frequenz des wiedergegebenen Signals entspricht, im Verhältnis zur Größe des Lautsprechers groß ist, hebt sich der von den beiden Seiten des Lautsprechers erzeugte Druck gegenseitig auf. So werden die tiefen Frequenzen (Bässe) in jeder sinnvollen Entfernung unhörbar gemacht. Wenn Sie dies zu Hause ausprobieren möchten, nehmen Sie einen Lautsprecher aus seinem Gehäuse. Sie werden eine „blecherne“ Klangqualität feststellen, verglichen mit dem Klang des Lautsprechers im eingebauten Zustand.

Damit ein Lautsprecher bei allen Frequenzen gut funktioniert, müssen wir verhindern, dass die von der Rückseite der Lautsprechermembran erzeugte Druckwelle die von der Vorderseite der Membran erzeugte Welle auslöscht. Wenn Sie den Lautsprecher in eine große, starre Platte (eine Schallwand) einbauen, können Sie den gleichen Effekt erzielen. Eine Schallwand muss jedoch sehr groß sein, um die Auslöschung der tiefen Frequenzen zu verhindern, so dass dies in den meisten Fällen nicht praktikabel ist. Geschlossene Boxen ermöglichen eine praktischere Lösung.

Eine Kombination aus den mechanischen Eigenschaften des Treibers und der Größe der Box bestimmt das Niederfrequenzverhalten eines zusammengebauten geschlossenen Lautsprechersystems. Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, wirkt die Luft in der Box wie eine Feder, gegen die die Membran drückt und zieht, und das System hat eine Resonanzfrequenz, unterhalb derer seine Leistung erheblich abfällt.

Lautsprecher müssen luftdicht sein: Undichte Stellen in der Box ermöglichen die Auslöschung, die wir vermeiden wollen.

Warum haben manche Lautsprecher Löcher?

Vielleicht haben Sie bemerkt, dass viele Lautsprecherboxen kreisförmige Löcher oder manchmal Schlitze haben, meist auf der Vorder- oder Rückseite. Dabei handelt es sich um Öffnungen, die als Bassreflexgehäuse bezeichnet werden.

Ein Bassreflexgehäuse funktioniert im Wesentlichen so, wie wenn man Luft über eine offene Bierflasche bläst und ein Ton erklingt. Der Ton ändert sich mit der Flüssigkeitsmenge in der Flasche, weil sich das Luftvolumen in der Flasche ändert. Wenn man den Glashals der Flasche dehnen könnte, würde sich der Ton ebenfalls verändern. Es handelt sich um ein Resonanzsystem, das durch Anpassen der Abmessungen der Öffnung (des Flaschenhalses) oder des Volumens des Gehäuses (der Flasche) abgestimmt werden kann.

Bei richtiger Abstimmung wird dadurch eine Resonanz knapp unterhalb des Punktes erzeugt, an dem die Lautsprecherantwort normalerweise abfallen würde, wodurch die Bassleistung des Systems effektiv erweitert wird. Damit dies richtig funktioniert, wird die Abstimmung des Ports für den jeweiligen Treiber im jeweiligen Gehäuse berechnet. Wenn Sie den Treiber gegen einen anderen Typ austauschen, selbst wenn er den gleichen Konusdurchmesser hat, sind die Abstimmung der Box und der Öffnung nicht mehr angemessen und das System klingt nicht mehr richtig.

Lautsprecher, die passive Strahler verwenden, arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip, aber mit einer masselastischen, nicht angetriebenen Lautsprechermembran, die die Bassresonanz mit dem eingeschlossenen Luftvolumen erzeugt.

Hochtöner und Tieftöner

Nun haben Sie vielleicht bemerkt, dass in den meisten Lautsprechern, besonders wenn sie größer als kleine tragbare Boomboxen sind, mehr als ein Lautsprechertreiber zu sehen ist – normalerweise ein kleinerer Durchmesser auf einem größeren.

Es gibt mehrere Gründe, warum Lautsprecher mehrere Treiber in verschiedenen Größen verwenden. Es stimmt zwar, dass ein einziger Treiber fast das gesamte hörbare Spektrum abdecken kann, aber es gibt eine Reihe von Einschränkungen, an die er stößt. Wenn der Treiber klein ist, kann er nicht viel Luft bewegen und wird Schwierigkeiten haben, einen brauchbaren Basspegel zu erzeugen.

Erfahren Sie mehr: Chassis-Typen erklärt

Größere Chassis können mehr Luft bewegen, aber das Problem ist, dass die Lautsprecher mit steigenden Frequenzen immer gerichteter werden. Dies wird als Abstrahlung bezeichnet.

Mit steigender Frequenz nimmt die zugehörige Wellenlänge ab; Lautsprechertreiber beginnen in der Regel bei einer Frequenz abzustrahlen, deren Wellenlänge dem Durchmesser der Abstrahlmembran entspricht. Das bedeutet, dass man die höheren Frequenzen nur dann hört, wenn man genau auf der Achse des Lautsprechers steht. Das sorgt weder für einen ausgewogenen Klang noch für einen guten Lautsprecher. Die einfache Lösung besteht darin, unterschiedlich große Treiber zu verwenden, die jeweils auf die Wiedergabe eines bestimmten Frequenzbereichs zugeschnitten sind, d. h. auf unterschiedliche Teile des hörbaren Spektrums (Bässe und Höhen oder Bässe, Mitten und Höhen).

Dieses Konzept funktioniert in Verbindung mit einem Frequenzteilungsnetzwerk in der Lautsprecherbox, einer so genannten Frequenzweiche. Eine Frequenzweiche teilt jedem Lautsprechertyp den richtigen Frequenzbereich zu: Hochtöner für die Höhen und Tieftöner für die Tiefen.

Warum es sich lohnt, die Funktionsweise von Lautsprechern zu kennen

Man muss die Wissenschaft hinter Lautsprechern nicht kennen, um sie zu hören und zu genießen. Aber wenn Sie vorhaben, viel Geld für Audiogeräte auszugeben, ist es immer eine gute Idee, sich zunächst mit etwas Wissen auszustatten. Ein wenig Basiswissen wird Ihnen helfen zu verstehen, warum bestimmte Designentscheidungen getroffen wurden, wie sie den Klang beeinflussen und Ihnen helfen, Schlangenölverkäufer zu erkennen.