Grundlagen Lautsprechertechnik

Hallo Leute,
da ich schon seit über 20 Jahren Lautsprecher selbst entwickle und baue und auch
schon diverse Carhifi Einbauten gemacht habe biete ich euch an etwas über
die Grundlagen der Lautsprechertechnik zu schreiben und bitte daher um Mitteilung ob Interesse besteht.Natürlich beantworte ich auch alle Fragen eurerseits zu dem Thema und berücksichtige Themenvorschläge.

Demnächst auch im Lexikon mit den Bildern und Diagrammen.
Bei Fragen ne Email oder private Nachricht schicken.

Lautsprechertechnik Grundlagen Teil 1

Was ist ein Lautsprecher?
Das worüber ich hier schreibe sind elektrodynamische Schallwandler.
Bedeutet : Mit Hilfe eines Permanentmagneten und eines
vom Signalstrom durchflossenen Drahtes wird aus einem
Wechselstrom eine Luftbewegung gemacht.

Am weitesten verbreitet ist der dynamische Lautsprecher, der zur Schallerzeugung eine Membran benutzt. Sprechen wir von einem Lautsprecher, so meinen wir meist einen Dynamischen. Nichtsdestotrotz gibt es natürlich noch andere Lautsprecher, wie z.B. elektrostatische Lautsprecher kurz Elektrostaten, Magnetostriktionswandler,Piezokeramische Lautsprecher sowie Ionen- oder auch Plasmalautsprecher.

Um Einsatzbereiche für die dynamischen Schallwandler definieren zu können muss ich die Wandler beschreiben.Das inzwischen allein anerkannte System zur Beschreibung von elektrodynamischen Schallwandlern stammt von den Herrn Thiele und Small weshalb der Parametersatz meistens TSP genannt wird.

Schall entsteht wenn Luft zum Schwingen angeregt wird.Dabei entstehen in der Luft Überdruck und Unterdruckbereiche die sich periodisch abwechseln(schwingen).
Schall kann jedoch ebensogut durch andere Stoffe, z.B. Wasser, Metalle usw. übertragen werden.
Schallwandler übertragen das elektrische Signal in der Regel durch eine bewegte Membran auf die Luft.
Unter Frequenz versteht man die Anzahl von Schwingungen pro Sekunde. Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen. 1000 Hz entsprechen 1 Kilohertz (kHz).
Das menschliche Ohr kann bestenfalls Frequenzen im Bereich von ca. 16 bis 20000 Hz(20kHz) wahrnehmen. Dabei nimmt die Fähigkeit zur Wahrnehmung höherer Frequenzen mit zunehmenden Alter ab.
Amplitudenfrequenzdiagramme geben an, welche Lautstärke der Schallwandler über einen bestimmten Frequenzbereich(meistens der Hörbereich) bei gleichbleibender Leistung erzeugt.

Je glatter die Linie des Frequenzdiagramms verläuft, desto gleichmäßiger werden die Tonsignale auf die Luft übertragen. Allerdings nimmt das menschliche Ohr erst Schwankungen
von mehr als 1dB zwischen zwei Einzeltönen wahr und 3 dB bei Musiksignalen, so daß kleinere Abweichungen In der Praxis vernachlässigt werden können.

Bel(B) ist eine Maßeinheit deren Zehntel (Dezibel) üblicherweise benutzt wird um das Verhältnis zwischen einem festgelegten Basiswert und einem Messwert zu beschreiben.Sie kann im Zusammenhang mit beliebigen physikalischen Grössen
verwendet werden.
Eine Oktave entspricht dem Umfang der Tonleiter (z.B. vom Ton kleines a zum Ton a` )was 8 Tönen(deshalb Oktave) entspricht.Als Frequenz ausgedrückt: das kleine a hat die Frequenz 440 Hz,a`hat die doppelte Frequenz also 880Hz.Eine Oktave tiefer wären es 220 Hz also das grosse A.
Unter dem Klirrfaktor versteht man das Verhältnis der Amplitude (Stärke) des Nutzsignals zur Amplitude unerwünscht erzeugter Verzerrungen,den sogenannten Oberwellen.
Bei Lautsprechern ist ein Klirr von weniger als 2% ein guter Wert,Verstärker haben meistens einen 100 bis 1000 mal geringeren Klirrfaktor.Deshalb ist der Lautsprecher
in einer Anlage auch der qualitätsbestimmende Faktor.
Der Wirkungsgrad eines Schallwandlers gibt an, welche Lautstärke der Wandler bei einer festgelegten Eingangsleistung erzeugt. Er wird in dB bei 1Watt in 1m Abstand gemessen.
Normale Schallwandler weisen einen Wirkungsgrad von 82-110 dB-W/m auf. 92dB entsprechen einemWirkungsgrad von 1%, Rest Wärme.
Der Wirkungsgrad sagt grundsätzlich nichts über die Wiedergabequalität des Wandlers aus.
Als Impedanz bezeichnet man den Innenwiderstand eines Wandlers bzw. eines Lautsprechers in Abhängigkeit von der Frequenz.
Die Impedanz wird in Ohm gemessen. Je höher die Impedanz desto
weniger Strom kann bei konstanter Spannung fließen.
Die Gesetzmäßigkeit lautet I =U/R (Strom = Spannung geteilt durch
den Widerstand).

In der Praxis gibt man Standardwerte(Nominalimpedanz)an, die meistens 4 Ohm oder 8 Ohm betragen.
Misst man mit einem Multimeter zwischen den Anschlüssen liegt der Messwert meistens ca 20% unter dem Standardwert.
Von Impedanz anstatt Widerstand redet man deshalb weil sich
Der Widerstand des Lautsprechers in Abhängigkeit von der
Frequenz ändert .
Die im Auto verwendeten Endstufen sind üblicherweise in der Lage
im nicht gebrückten Betrieb Lautsprecher mit einer Impedanz von
2 Ohm zu betreiben,im gebrückten Zustand sollten dann 4 Ohm nicht unterschritten werden da ansonsten der Stromfluss zu hoch wird
und die Endstufe Schaden nehmen kann durch Überhitzung.
Schliesst man Impedanzen von 8 Ohm oder höher an nutzt man die mögliche Stromlieferfähigkeit der Endstufe nicht aus, bedeutet
man hat weniger Leistung zur Verfügung.
Hat man ohnehin eine relativ leistungsschwache Endstufe besteht
dann die Gefahr dass man den Verstärker übersteuert.
Diese Übersteuerung nennt man auch Clipping.
Jeder Verstärker hat einen festen Verstärkungsfaktor und eine
vom Netzteil vorgegebene maximale Ausgangsspannung.
Angenommen das Musiksignal am Eingang hätte eine
Spannung von 1 Volt, die maximale Ausgangsspannung läge bei
30 Volt und der Verstärkungsfaktor wäre 40 dann müsste das
Musiksignal am Ausgang eine Spannung von 40 Volt haben.
Da aber der Verstärker nur 30 Volt bereitstellen kann wird das
Musiksignal verzerrt,der Verstärker geht ins Clipping.
Diese Verzerrung führt zu einem schnellen Tod des Hochtöners
da das vorgeschaltete Hochpassfilter in diesem Fall nutzlos ist.

Wie gut zu erkennen ist wechselt die Phase über den Frequenzbereich gleichmäßig von +180Grad bis -90 Grad.
Dieses Verhalten ist typisch für einen Wandler der den gesamten Frequenzbereich allein abstrahlt.
Die Stärken dieses Breitbandprinzips sind eine homogene und sehr räumliche Wiedergabe, die Schwächen eine sehr geringe Belastbarkeit,wenig Details im Hochtonbereich und so gut wie kein Tiefbass.
Überlässt man die jeweiligen Frequenzbereiche speziellen Lautsprecherchassis so handelt man sich mit jedem weiteren Weg
mehr Probleme ein.
So erzeugt ein 2 Weg System, üblicherweise Tiefmitteltöner und
Hochtöner einen Sprung im Phasengang auf den unser Gehör sehr empfindlich reagiert und der nur mit der Frequenzweiche und oder entsprechend angepassten Einbau kompensiert werden kann.
Da die Wandler im Übernahmebereich durch die Frequenzweiche langsam ausgeblendet werden ergibt sich ein Bereich in dem beide Chassis den gleichen Frequenzbereich abstrahlen.Dadurch kann es zu klanglichen Verfälschungen kommen,sogenannten Interferenzen.
Ein 3 Wegsystem erzeugt dementsprechend 2 Phasensprünge und Interferenzen und es ist noch schwieriger als beim 2 Wegsystem diese zu kompensieren.
Bedingt durch den gegenüber einem 2 Wegsystem doppelten
Aufwand bei der passiven Frequenzweiche und der Phasenprobleme sowie des zusätzlichen Mitteltöners ist von einem passiven Dreiwegsystem grundsätzlich abzuraten auch wenn die Belastbarkeit und Lautstärkefähigkeit höher liegt als beim 2 Wegsystem.
Ideal ist ein passives 2 Wegsystem mit aktiver Subwooferunterstützung da die Phasenprobleme mit vertretbarem Aufwand lösbar sind und ansonsten die Vorteile des 3 Wegsystems nutzbar sind.Hat man allerdings nur geringe Pegelansprüche so sollte man durchaus ein Breitbandsystem in Betracht ziehen sinnvoll unterstützt durch einen Aktivsubwoofer.