Maß für die Nachgiebigkeit der Membranaufhängung in Abhängigkeit der Membranfläche

Eine Baßreflexbox ist ein sogenannter Helmholtzresonator. Ein solcher akustischer Resonator besteht faktisch aus einem Volumen mit einer Öffnung.

Die im Gehäuse eingeschlossene Luft hat eine vom Volumen abhängige Federsteifigkeit, die in der Öffnung oder im (Baßreflex-)Rohr befindliche Luft hat ebenfalls eine Masse.

Durch Abstimmen der Federsteifigkeit des eingeschlossenen Volumens und der angehängten bewegten Masse (Luftvolumen im Baßreflexrohr) läßt sich eine bestimmte Resonanzfrequenz definieren.

Diese Resonanz wird durch einen Lautsprecher angeregt, der in das Gehäuse eingebaut wird.

Durch geschickte Wahl der Resonanzfrequenz erreicht man eine Verstärkung der Tieftonwiedergabe bei gleichzeitiger Reduzierung der Membranauslenkung.

Die Nennbelastbarkeit in Watt gibt an, welche elektrische Leistung dem Lautsprecher im Dauerbetrieb zugeführt werden kann (DIN 45573). In der DIN Norm sind die genauen Randbedingungen festgeschrieben.

Die Musikbelastbarkeit gibt die Leistung an, die bei kurzfristigen, hohen Pegeln vom Lautsprecher noch ohne Beschädigung oder starke Verzerrungen aufgenommen werden kann (DIN 45500).

Die Belastbarkeit ist kein Qualitätskriterium. Sie gibt nicht einmal Auskunft darüber, welche Lautstärke ein Lautsprecher produziert. Leider wird ständig mit weit übertriebenen Belastbarkeitsangaben und
'Ausgangsleistungen?' Werbung gemacht.

Nach Untersuchungen, die Siegfried Linkwitz über Mehrwegesysteme und deren Abstrahlverhalten tätigte, zeigte der Amerikaner Joseph D'Appolito eine interessante Lösung auf. Der Ansatz von Linkwitz, die Nutzung eines Satelliten/Subwoofer-Systems wurde von ihm übernommen. Als Nachteil erschien ihm jedoch der geringe Wirkungsgrad der Satellitensysteme (nach Linkwitz). Er beschäftigte sich damit, wie man den maximalen Schalldruck des Satellitensystems erhöhen könnte, ohne Qualitätsteinbußen in Kauf nehmen zu müssen. Genau wie Linkwitz selbst, hielt D'Appolito ein Tiefmittelton-Chassis von 130 mm für das Optimum. Er stellte aber fest, daß sich die von ihm geforderten zur vorbildgetreuen Reproduktion digitaler Signalquellen erforderlichen Schalldrücke mit einem so kleinen Chassis nicht realisieren ließen.

D'Appolito untersuchte die Auswirkung des Einsatzes von zwei l3Omm-Chassis auf das Gesamtsystem. Die konventionelle Anordnung, bei der man beide Chassis direkt übereinandersetzt und darüber den Hochtöner, führte zu einer wesentlichen Verschlechterung im Abstrahlverhalten.

D'Appolito stellte fest, daß man zu einem fast optimalen Abstrahlverhalten gelangt, wenn man den Hochtöner in der Mitte der Box und jeweils einen Mitteltöner darunter bzw. darüber anordnet. Bei dem Lösungsansatz von D'Appolito geht die Weiche eine enge Beziehung mit dem Gesamtverhalten der Kombination ein. Betreibt man die Anordnung mit einem Allpaß-Filter dritter Ordnung (18 dB pro Oktave), so kommt es im Bereich der Übernahmefrequenz zur Ausbildung einer einzigen Hauptabstrahlkeule, die es dem Hörer erlaubt, über den gesamten vertikalen Bereich seine Hörposition zu verändern ohne Klangeinbußen befürchten zu müssen. Eine Konstruktion nach D'Appolito besteht aus zwei gleichen, vertikal übereinander angeordneten Mitteltönern, zwischen denen sich ein Hochtöner befindet.

Beide Mitteltöner arbeiten parallel und die Konstruktion wird von einem Allpaßfilter dritter Ordnung angesteuert. Bei vorhanden Bauvorschlägen läßt sich in den seltensten Fällen ein Filter dritter Ordnung erkennen.

Diese scheinbare Diskrepanz läßt sich erklären, wenn man berücksichtigt, daß die Allpaß-Funktion des Filters nicht etwa elektrisch, sondern vielmehr akustisch zustande kommen muß.

Die Bezeichnung Doppelmagnet ist etwas irreführend. Der Lautsprecher verfügt nicht über mehrere Magnetsysteme sondern über einen großen Magnetring, der aus zwei einzelnen Magnetringen besteht, die aufeinandergesetzt wurden.

Mit diesem einfachen Trick lassen sich bei relativ kompakter Bauform leistungsstarke, preiswerte Magnetsysteme herstellen.

Geschlossene Gehäuse stellen im Prinzip eine unendlich große Schallwand dar. Diese Schallwand wurde zu einem rundum geschlossenen Gehäuse gefaltet. Ist das Gehäuse völlig dicht, läßt sich die Federsteife der eingeschlossenen Luft im Gehäuse genau angeben.

Geschlossene Gehäuse weisen gegenüber Baßreflexboxen im Tieftonbereich einen geringeren Wirkungsgrad auf, dafür bieten sie ein besseres Impulsverhalten. Geschlossene Gehäuse eignen sich auch für Lautsprecher mit höheren Qts Werten über 0,5.

Funktionsweise: Der Tieftontautsprecher arbeitet auf ein geschlossenes Volumen. Das Luftvolumen wirkt auf den Lautsprecher wie eine zusätzliche Feder.

Maßgeblich für die Linearität des Frequenzganges im Baßbereich ist die Gesamtgüte des eingebauten Lautsprechers.

Sind die Thiele/Small Parameter des Lautsprecherchassis bekannt, so können geschlossene Gehäuse mit Hilfe eines Programms auf einfachste und genaueste Weise berechnet werden.

Am günstigsten wird ein Gesamtgüte Wert von 0,707 angesehen. Hier verhält sich der Fequenzgang, sowie das Ein- und Ausschwingverhalten wie ein Butterworthfilter 2. Ordnung. Der Frequenzgang fällt unterhalb der Einbauresonanz mit 12 dB je Oktave ab.

Durch Ziehen, Schleudern oder Blasen hergestellte Fasern. Der Faserdurchmesser beträgt O,003-O,O3mm. Glasfaserbewährte Kunststoffe zeichnen sich durch ihr günstiges Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht aus.

Ferrofluid (FFL) ist eine ölige, magnetische Flüssigkeit, die bei Hochtonsystemen in den Luftspalt eingebracht wird. Diese Flüssigkeit hat folgende Funktionen: Die mechanische Dämpfung des Feder-Masse Systems (Schwingspule, Sicke, Membran) wird erhöht, d.h. der Qms-Wert wird kleiner. Dadurch wird der Impedanzanstieg auf der Resonanzfrequenz weitgehend unterdrückt.

Ergebnis: Wesentlich höhere mechanische Belastbarkeit!

Lautsprecher setzen nur einen verschwindend kleinen Anteil der zugeführten Energie in Schall um, der bedeutend größere Anteil wird in Wärme als Verlustleistung umgesetzt.

Diese Wärme kann nun über das Ferrofluid viel direkter an das Magnetsystem abgeleitet werden. Das heißt, die Kühlung der Luftspule erfolgt im bedeutendem Maße intensiver als ohne FFL.

Bei Systemen ohne FFL kann die Wärme nur über die Luft im Luftspalt abgeführt werden.

Ergebnis: Wesentlich höhere thermische Belastbarkeit bei Verwendung von FFL!

Nachteil: Ferrofluid altert mit den Jahren, d.h. die Flüssigkeit wird zäher. Die Lautstärke des Hochtöners nimmt mit den Jahren ab.

Nennscheinwiderstand des Lautsprechers. Die Impedanz ist nicht über den gesamten Frequenzbereich konstant, was bei der Auslegung der Frequenzweiche zu berücksichtigen ist.

Eine Kalotte ist ein Ausschnitt aus einer Kugelabschnitt. Dieser Dom wird direkt auf die Schwingspule aufgesetzt. Kalotten unterscheiden sich von Konuslautsprechern demnach dadurch, daß die Konusmembrane weggelassen wurden.

Vorteile:

-Die Kalotte ist sehr steif.

-Der geringe Membrandurchmesser garantiert einen großen Abstrahlwinkel

-Die Membranmasse ist relativ gering, welches wichtig für einen guten Wirkungsgrad ist.

Kalotten lassen sich allerdings nicht in beliebigen Größen herstellen. Sie eignen sich sehr gut für Hochtonsysteme. Gebräuchliche Membrandurchmesser Liegen zwischen 10 und 25 mm für Hochtonsysteme und zwischen 34 und 70 mm für Mitteltonsysteme. Letztere haben allerdings schon erheblich Probleme mit der Steifigkeit des Materials bei vertretbarer Membranmasse. Ebenfalls werden an die Randeinspannungen erhebliche Forderungen bezüglich der Linearität gestellt Kalottenmembranen werden aus Kunststoff, Gewebe oder Metall hergestellt.

Die Idee, die akustischen Zentren bei Mehrwegesystemen so nah wie möglich aneinander oder gar zu einer Quelle zu vereinigen, beschäftigte schon immer die Entwickler.

Erste Schritte waren Koaxiallautsprecher mit aufgesetztem Hochtöner, so wie man sie heute noch bei Autolautsprechern findet. Neue Magnetwerkstoffe wie Neodym erlaubten kompakte Lautsprecherhochtonsysteme, so daß der Hochtonlautsprecher zentrisch in ein Tieftonsystem eingebaut werden konnte. Vorteile von Koaxialsystemen sind in erster Linie eine stabile Phasenlage bei konstanter Gruppenlaufzeit. Dieses zeichnet oftmals verantwortlich für ein homogenes Klangbild.

Dünne Fasern aus reinem Kohlenstoff zur Verstärkung von Kunststoffen. Auch Kohlefasern finden Verwendung bei der Membrankonstruktion.

Das Produkt aus magnetischer Induktion und Schwingspulendrahtlänge im Luftspalt gibt an, wie ,,stark" der Antrieb eines Lautsprechers ist. In der Regel besitzen Lautsprecher mit großen B x L Produkten kleine Güten, d.h. große Dämpfungen.

Unedles, silberglänzendes, sehr reaktionsfähiges Leichtmetall. Magnesium wird von Säuren aufgelöst und verbrennt mit blendend weißem Licht. (Verwendung als Blitzlicht). Es wird durch Schmelzelektrolyse aus Magnesiumchlorid gewonnen. Membranen aus Magnesium weisen hohe Festigkeit bei geringem spezifischen Gewicht auf.

Ein Magnet ist ein Körper, der in seiner Umgebung ein Magnetfeld erzeugt. Dabei treten magnetische Feldlinien am sogenannten Nordpol des Magneten aus und am sogenannten Südpol treten magnetische Feldlinien ein.

Bei Lautsprechern wird als Erzeuger des Magnetfeldes üblicherweise ein Ferrit verwendet.

Über die Metallteile (Polplatte, Polkern und Bodenplatte) wird das Magnetfeld zum Luftspalt geführt.

Grosse Magnete sind kein Qualitätskriterium für Lautsprecher. Sie sagen weder über die Belastbarkeit noch über den Wirkungsgrag eines Lautsprechers etwas aus. Alleine dessen Produktionsqualität und Materialeinsatz entscheiden über die Kraft eines Magneten.

Ein durch Magnete oder bewegte elektrische Ladungen erzeugtes Feld, das Kraftwirkungen zwischen Magneten bzw. elektrischen Strömungen vermittelt.

Das Magnetfeld wird durch die Magnetische Feldstärke beschrieben.

Die Membran eines Schallwandlers kann verschiedene Formen haben.

So unterscheidet man:

- Konusmembranen

- Flachmembranen

- Kalotten

Der Konus, eine Fläche, z.B. ein Blatt Papier zu einem Trichter geformt, bietet eine hervorragende Steifigkeit.

Wird wie bei einem Lautsprecher dieser Konus mit unterschiedlicher Frequenz hin und her bewegt, so neigt der Konus ab einer bestimmten Frequenz nicht mehr gleichförmig wie aus einem Stück zu schwingen, sondern er bricht in seiner Bewegung auf. Sogenannte Partialschwingungen entstehen.

Diese erzeugen unterschiedliche Schallzentren, die sich teils überlagern und auslöschen und verstärken. Abhilfe bietet hier die sogenannte Nawi-Membran. Diese Membran ist kein Konus, sondern hat einen hyperbolischen Membranquerschnitt. Diese Membran ist nicht abwickelbar. D.h. diese Membran läßt sich nicht zu einem flachen Stück Material formen, sollte man diese z.B. aufschneiden.

Der Pegel in dB beschreibt das logarithmierte Verhältnis zweier Werte. Bei Lautsprechern handelt es sich meistens um Schalldruckverhältnisse.

Ein Beispiel: Ein Schalldruckpegelabfall bzw. ein Anstieg von 6dB bedeutet eine Halbierung bzw. eine Verdoppelung der Lautstärke nach menschlichen Hörgewohnheiten.

Polypropylen ist ein Kunststoffmaterial mit hoher innerer Dämpfung, das zur Membranherstellung, hauptsächlich für Tief- und Mitteltonlautsprecher, verwendet wird.

Hierbei gibt es Membranen, je nach Einsatzweck, die mit Füllmaterialien wie etwa Kreide angereichert sind. Dadurch lassen sich die Härte, Steifigkeit und die innere Dämpfung der Membran exakt definieren und einstellen.

Lautsprecher mit Polypropylenmenbranen verfügen bei allen Qualitätsherstellern über eine sehr hohe Produktionskonstanz.

Vorteile gegenüber Papier:

- bessere Dämpfungseigenschaften

- gutmütigerer Frequenzverlauf am oberen Ende des Übertragungsbereichs

- geringere Neigung zu Partialschwingungen

- sehr hohe Produktionskonstanz

- neutrales Klangverhalten im Mitteltonbereich

Nachteile gegenüber Papier:

- geringere Steifigkeit der Membran

- höhere bewegte Masse bei Chassis mittlerer Größe (16 cm)

- schlechteres Impulsverhalten im Tieftonbereich

Die elektrische Dämpfung Qes ist das Maß für die Dämpfung die durch die Einwirkung des Antriebs, der Schwingspule im Magnetfeld erzeugt wird.

Die mechanische Güte Qms ist das Maß für die mechanische Dämpfung. Diese mechanische Dämpfung wird durch die Reibung der Zentriermembran und der Sicke erzeugt.

Der Qts Wert (nach Thiele und Small) gibt Aufschluß über das Dämpfungsverhalten des Lautsprechers. Kleine Güten bedeuten dabei hohe Dämpfungen.

Der Qts setzt sich dabei aus der elektrischen Güte Qes und der mechanischen Güte Qms zusammen.

Qts= Qes x Qms : (Qes + Qms)

Der Qts Faktor ist entscheidend für das Ein- und Ausschwingverhalten.

Die Resonanzfrequenz ist die Frequenz, bei der eine Masse mit der geringsten Energie in Eigenschwingung versetzt werden kann.

Der Lautsprecher ist ein schwingungsfähiges System aus Massen und Federn:

Membran und Schwingspule stellen Massen dar, die an Federn, bestehend aus Zentriermembranen und Sicke, aufgehängt sind.

Zusätzlich wirken noch mechanische Reibungskräfte und eine elektrische Dämpfung aus dem Zusammenspiel zwischen Magnetsystem, Schwingspule und Verstärker. Bei einer bestimmten Frequenz läßt sich die Masse, die Membran mit Spule, mit kleinster Energiezufuhr bewegen.

Optisch erkennt man das bei Tieftönern durch eine große Auslenkung bei einer bestimmten Frequenz.

Diese Resonanzfrequenz ist ein, je nach Chassis, spezifischer Wert. Auf einem Impedanzschrieb läßt sich die Resonzfrequenz als mehr oder weniger erste starke Erhöhung der Impedanz erkennen.

Die Sandwichmembran besteht aus einem mehrlagigen Laminat unterschiedlich steifen Polypropylens. Optimale innere Dämpfung und hohe Steifigkeit bei geringem Membrangewicht.

Die Schwingspule ist ein elementares Teil des Antriebssystems eines Lautsprechers.

Wirkungsweise: Ein elektrischer Leiter, die Schwingspule, wird von einem Wechselstrom durchflossen und verursacht ein in der Polarität und Intensität schwankendes Magnetfeld. Setzt man diesem Magnetfeld ein permanentes Magnetfeld entgegen, so kommt es, je nach Stromrichtung, zu einer Abstoßung oder Anziehung.

Die Schwingspule selbst ist zumeist als zylindrischer Hohlkörper ausgebildet, auf dem mehrere Lagen Drahtwicklung aufgetragen wurde. Je höher die Windungszahl, um so stärker das induzierte Magnetfeld.

Ein Kurzschlußring im Magnetsystem. Er reduziert die durch die Bewegung der Schwingspule verursachten Verzerrungen.

Die Sicke ist der Teil eines Lautsprechers, welcher die Membran mit dem Korb verbindet und abdichtet. Die Wahl des Materials ist, je nach Einsatzzweck, ein nicht zu unterschätzendes Kriterium. Bei geschickter Wahl der Sicke lassen sich unerwünschte Effekte vermeiden oder Fehler der Membran kompensieren.

Als Materialien werden verwendet:

- Papier

- Leinen

- getränktes Gewebe

- geschäumte Polymere

- Gummi

Die grundsätzliche Bauform ist heute ein halbkreisförmiger Wulst, der nach innen oder nach außen weist.

Je tiefer die Frequenz, um so länger ist die Wellenlänge. Da der Laufzeitunterschied vom rechten zum linken Ohr mit zunehmender Wellenlänge relativ immer kleiner wird, lassen sich tiefe Frequenzen nicht orten.

Aufgrund dieser Erkenntnis kamen Entwickler auf die Idee, den Tieftonbereich von nur einer Lautsprecherbox, einem sogenannten Subwoofer, wiedergeben zu lassen. Die eigentlichen Hauptlautsprecher, die das gesamte musikalische Geschehen wiedergeben benötigen dazu keine großen Membranflächen und entsprechend keine großen Gehäuse mehr. Diese Systeme werden als Satelliten bezeichnet.

Erst ab etwa 150 Hz kann der Mensch Schall orten, so liegt die übliche Trennfrequenz zwischen dem Tieftöner Subwoofer und den Satelliten bei etwa 100Hz bis max. 200Hz.

Die Aufstellung des Subwoofers im Raum ist relativ unkritisch, jedoch nicht völlig egal wie gelegentlich behauptet wird. Jeder Raum hat Orte, an denen sich seine eigenen Resonanzen besser oder schlechter anregen lassen. Hier gilt probieren. Möglichst sollte der Subwoofer auf gleicher Ebene zwischen den Satelliten plaziert werden. Gründe liegen mehr in der physischen Wahrnehmung der Druckwellen als in der akustischen Wahrnehmung.

Hiermit wird der Frequenzbereich bezeichnet, in dem der Schalldruckpegel des Lautsprechers linear innerhalb eines Toleranzbandes von +/- 4dB verläuft. Unterhalb von 100 Hz und oberhalb von 8000Hz darf ein größerer Pegelabfall auftreten (DIN 45573).

Der Wirkungsgrad eines Lautsprechersystems gibt an, welcher Teil der zugeführten elektrischen Energie aus dem Verstärker in akustische Energie umgewandelt wird.

Je höher der Wirkungsgrad ist, um so lauter ist der Lautsprecher bei einer bestimmten konstanten Verstärkerleistung. Der Wirkungsgrad erlaubt jedoch keine Einschätzung des maximal möglichen Schalldruckes.

Übliche Wirkungsgradwerte liegen in der Größenordnung von O.15% bis 2.5%. Es wird also nur ein verschwindend geringer Teil der zugeführten Energie in Schall umgewandelt. Die restliche Energie verpufft als Wärme und muß über die Schwingspule an das Magnetsystem abgeleitet werden.

Nach der Formel:

SPL=112+10 Log*Wirkungsgrad (dB/W/m)

kann der Wirkungsgrad in den Kennschalldruck umgerechnet werden.

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