mini|hochkant=1.05|Dynamischer Tauchspulen-Lautsprecher mit Papier-Konusmembran und Gummi-Sicke Lautsprecher sind Schallwandler, die aus einem elektrischen Eingangssignal Schall erzeugen.
Sie dienen meist der Wiedergabe von Sprache oder Musik als Luftschall und sind daher auf Frequenzen im Hörbereich des Menschen ausgerichtet (20 Hz bis 20 kHz). Spezielle Bauformen erzeugen jedoch auch Schall in Festkörpern oder Fluiden (etwa unter Wasser) oder außerhalb des menschlichen Hörbereichs (Ultraschall).
Die typische Größe variiert zwischen sehr kleinen Formen von 0,5″ (1,3 cm)Visaton SC 5 bis hin zu 32″ (81 cm) großen Basstreibern für PA-AnlagenFostex FW800HS. Das größte derzeit hergestellte Chassis ist ein 50″-Chassis (127 cm)SMSG50 von Ascendo mit Sitz in Heilbronn, Kino- sowie Pro-Audio-Ausstatter, dass kleinste ein 0,4″-Chassis (1 cm)Audax TW010I1.
Begriffe Das Wort „Lautsprecher“ wird allgemeinsprachlich auch für Lautsprecherboxen verwendet; fachsprachlich (und auch in diesem Artikel) wird darunter jedoch nur der eigentliche Schallwandler verstanden, also die kleinste funktionierende Einheit zur Schallerzeugung.
Alternative Ausdrücke für diese Einheit sind Treiber und Chassis, wobei es auch hier jeweils abweichende Verwendungen gibt: Ein „Chassis“ ist im engeren Sinn nur der nicht bewegliche Teil des Lautsprechers. Bei Hornlautsprechern schließt „Treiber“ das eigentliche Horn nicht mit ein.
Geschichte
mini|hochkant=1.05|Magnetischer Lautsprecher der Firma Celestion aus dem Jahr 1924
Die Entwicklung des Lautsprechers ist direkt mit der Erfindung des Telefons verknüpft und begann 1860 mit der ersten öffentlichen Vorführung eines Fernsprechapparates durch Antonio Meucci. Ein Jahr später präsentierte Philipp Reis sein Telefon, das später von Alexander Graham Bell weiterentwickelt wurde.
Nach dem von Thomas Alva Edison 1877 zum Patent angemeldeten Phonographen stellte Emil Berliner 1887 sein Grammophon vor. Deren teilweise markante Schalltrichter waren jedoch noch keine Lautsprecher im Sinne eines elektroakustischen „Wandlers“. In deren Schalldosen, die die Aufgabe des "Treibers" übernahmen, wurden beim Abspielen der Tonträger die je nach System vertikalen oder horizontalen Bewegungen der Nadel bzw. des Safirs während des Gleitens durch die sich vorwärts bewegende Rille über ein Hebelsystem in analoge Schwingungen der Membran umgewandelt. Der so rein mechanisch reproduzierte Schall wurde also ohne jeglichen Einsatz von Elektrizität erzeugt und dann durch ein akustisches Horn abgestrahlt.
Werner von Siemens erhielt bereits 1878 das Patent für einen elektrodynamischen Lautsprecher; sein Pech war aber das Fehlen geeigneter Audioverstärker. Als Begründer der modernen Lautsprecher gilt Sir Oliver Lodge. Bei der Berliner Funkausstellung wurde 1925 der erste elektrodynamisch angetriebene Lautsprecher öffentlich vorgestellt. Im gleichen Jahr hatten Edward Kellog und Chester Rice von der amerikanischen Firma General Electric den dynamischen Tauchspulenlautsprecher entwickelt, wie er im Prinzip bis heute in den meisten schallabstrahlenden Systemen zum Einsatz kommt.
Die ersten kommerziellen Hersteller von Lautsprechern waren Magnavox (1923, USA-CA; Magnavox Type R-3 model A "Telemegafone", siehe National Museum of American History), Celestion (1924, UK, London; C Model und Z Model, siehe Science Museum und Foto) sowie General Electric von Chester W. Rice and Edward W. Kellogg (1926, USA-NY; BTH Typ-Rice/Kellogg).
Neben kontinuierlicher Optimierung der verwendeten Materialien gab es insbesondere Anfang der 1960er Jahre durch wissenschaftliche Arbeiten von Albert Neville Thiele und Richard H. Small bedeutende Fortschritte – speziell unter Berücksichtigung seiner Wechselwirkungen mit dem jeweiligen Gehäuse. Heutzutage sind vor allem FEM-Modellierung sowie Fortschritte in der Messtechnik Treiber bei der Chassisentwicklung, Digitaltechnik und tiefes Verständnis der Psychoakustik bei der konkreten Ansteuerung der Chassis.
Funktionsprinzip mini|hochkant=1.05|HiFi-Lautsprecher: eine Box (schwarz, nur teilweise sichtbar, mit eingebautem Hoch- und Mitteltonlautsprecher), darauf liegend ein ausgebauter Tiefton-, davor auf der Holzplatte ein ausgebauter Mitteltonlautsprecher
Allgemeines Ein Lautsprecher besteht in den meisten Fällen aus drei Komponentengruppen: der Membran, der Antriebseinheit sowie deren verbindenden Elementen. Beim Standardmodell des sogenannten Tauchspulenlautsprechers wird die Membran von einer mittig angebrachten Schwingspule in Bewegung versetzt; zum Antrieb gehört neben der Spule ein Magnet, in dessen Feld sie schwingt. Ein Korb verbindet den Magneten mit einer Sicke sowie einer Zentrierspinne, welche ihrerseits die Membran führen.
Abhängig vom Einsatzzweck bestimmen unter anderem die benötigte Lautstärke, der Frequenzumfang, das Platzangebot und die erwünschte Signaltreue, wie der Wandler jeweils konstruiert wird: Lautsprecher für Durchsagen am Flughafen müssen ganz anderen Anforderungen entsprechen als Player-Ohrhörer oder etwa Ultraschallreiniger.
Bei HiFi-Lautsprecherboxen werden meist mehrere frequenzspezifisch optimierte und über Lautsprecherweichen selektiv angesteuerte Wandler eingesetzt, um das gesamte Hörspektrum abzudecken. Lautsprecher lassen sich in ihrem unteren Arbeitsbereich durch ihre Thiele-Small-Parameter beschreiben, wodurch das komplexe Zusammenspiel ihrer Bauelemente rechnerisch fassbar wird.
Membran Je nach Bauart und Frequenz bewegt sich die Membran kolben- oder wellenförmig. Während zum Beispiel Biegewellenwandler den Verformungseffekt nutzen, stellen Partialschwingungen bei den meisten Lautsprechern unerwünschte Störkomponenten dar.
Zur Erhöhung ihrer Steifigkeit kann man zentral angetriebene Membranen trichterförmig bauen (was den üblichen Konuslautsprechern ihr Aussehen verleiht) und ein möglichst stabiles Material wählen. Harte Werkstoffe wie Aluminium oder Keramik weisen jedoch ausgeprägte Eigenresonanzen auf, während Kunststoffe wie Polypropylen zwar über eine gute innere Dämpfung verfügen, aber bei Präzision und Wirkungsgrad schwächeln. Heute werden die unterschiedlichsten Mischungen und Schichtungen eingesetzt; Papier – schon seit Jahrzehnten für Lautsprechermembranen verwendet – liefert dabei nach wie vor beste Ergebnisse.
Zur Umgehung von Partialschwingungen kann man die Membran auch möglichst weitflächig antreiben. Diesem Prinzip folgen beispielsweise Magnetostaten, bei denen sich die Schwingspule – folienmäßig aufgetragen – über die gesamte Membranfläche verteilt; deren Material darf dann entsprechend dünn (sprich: leicht und somit impulsschnell) sein. In ihrer Auslenkung sind solche Flächen jedoch durch die umgebenden Magnetstäbe limitiert.
Je tiefer der Ton, also je niedriger die Frequenz, desto mehr Luft muss eine Membran für die gleiche Lautstärke verschieben. Dieses Volumen ergibt sich aus Gesamtfläche und Auslenkungsvermögen. Sowohl die größere Masse einer großen Membran als auch eine weite Auslenkung erfordern einen stärkeren Antrieb.
Die Schallbündelung durch die Membran steigt mit ihrer Größe.
Materialien für die Membran
Für die Membran werden Materialien verwendet, die bei hoher Steifigkeit (Elastizitätsmodul) eine möglichst geringe Masse (Dichte) haben. Der Quotient aus beiden ist die Schallgeschwindigkeit (ins Quadrat). Will man eine Membran oberhalb der Aufbruchfrequenz nutzen, ist weiterhin eine möglichst hohe Dämpfung erwünscht. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit unterstützt die Kühlung der Schwingspule.
Materialien mit sehr hoher Schallgeschwindigkeit: CVD aus Kohlenstoff (Diamant) oder Siliciumkarbid Metalle wie Beryllium, Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen aus diesen und ggf. Kupfer Keramiken wie Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Titanoxid Keramiken wie Aluminiumnitrid oder Titannitrid Materialien mit hoher Schallgeschwindigkeit und hoher Dämpfung: Polyethylen, Polyester, Polypropylen oder Zylon aufgeschäumte (voluminöse) Kunststoffe Komposite aus diesen und Epoxidharz (Carbon, Aramid oder Dyneema) getränktes/beschichtetes Papier (Nadelholz, Birke, Buche, Bambus) getränkte/beschichtete textile Materialien (Leinen, Baumwolle, Seide, Hanf, Flachs, Banane, Zuckerrohr) Weiterhin Sandwiches aus verschiedenen Materialien.
Bei Hifi-Lautsprechern interessiert weniger die absolute Festigkeit (Bruchgrenze), das ändert sich allerdings bei horngeladenen Lautsprechern, in denen deutlich höhere Kräfte (bei meist auch deutlich mehr Volllast-Betriebsstunden) wirken.
Antrieb Die Parameter des Antriebs hängen sowohl von der Größe der Spule ab (Durchmesser und Wicklungshöhe) als auch von der Stärke und Reichweite des Magnetfeldes. Maßgeblich sind zudem der Spulen-Innenwiderstand (abhängig von der Leitfähigkeit ihres Materials), die Distanz zwischen Spule und Magnet sowie eventuelle Verluste durch Wirbelströme (abhängig von der – unerwünschten – Leitfähigkeit des Spulenträgers).
Bei Piezolautsprechern entfallen Spule und Magnet: Das Signal wird an eine Scheibe aus piezoelektrischem Material angelegt, die direkt mit der Membran verbunden ist. Elektrostaten wiederum arbeiten mit einem hochtransformierten Signal, das über Statoren auf eine unter konstanter Spannung stehende Folienmembran wirkt; beim Plasmalautsprecher wird ein ionisiertes Gas mit einem Hochspannungsfeld in Schwingungen versetzt.
Materialien für Antriebe dynamischer Lautsprecher
Für die Spule kommen folgende Materialien in Frage: Aluminium mit der besten masse-spezifischen Leitfähigkeit optimal für Chassis, die mittlere und hohe Frequenzen abstrahlen sollen geringere Festigkeit, schwerer zu verarbeiten Kupfer mit der (fast) besten Leitfähigkeit optimal für Bass- und Tiefbass-Chassis (Subwoofer) höhere Festigkeit, bessere Verarbeitbarkeit kupferkaschiertes Aluminium (CCA) Kombination der vorteilhaften Eigenschaften beider Materialien Silber manchmal im High-End-Bereich, Vorteile marginal, teuer Legierungen (CuAg, CuSn, CuNiSi, CuZr) schlechtere Leitfähigkeit von Legierungen, aber stabiler und temperaturbeständiger PA-Bereich Trivia: Trotz bester masse-spezifischer Leitfähigkeit aller Metalle ist auf Grund fehlender chemischer, mechanischer und thermischer Stabilität Natrium nicht verwendbar.
Verwendete Isolationsmaterialien: Kunststoffe als Lacke (Kapton, Polyester, Polyurethan) Aluminiumoxid, Siliciumkarbid, andere Metalloxide (ggf. die der Schwingspule selbst) früher: Schellack, harzgetränkte Baumwolle
Verwendete Schwingspulen-Trägermaterialien: Kapton (Polyimid), Nomex (Aramid) Glasfaserverstärkter Kunststoff Aluminium, Kupfer (wirkt gleichzeitig als Wirbelstrombremse) selbsttragend (häufig bei Kopfhörern)
Grundlagen Im unteren Arbeitsbereich um die Resonanzfrequenz lassen sich Lautsprecher, die als getriebenes Masse-Feder-System arbeiten, durch die Thiele-Small-Parameter beschreiben.
Ähnlich wie elektrischer Strom, der durch die elektrische Stromstärke und die elektrische Spannung beschrieben werden kann, gibt es bei Schallwellen die Schallschnelle und den Schall(wechsel)druck. Schallschnelle beschreibt die Geschwindigkeit, mit der die Luftmoleküle durch den Schall bewegt werden, Schalldruck den dabei entstehenden Druck.