Abhörlautsprecher

Abhörlautsprecher



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Der Abhörmonitor im Tonstudio hat eine sehr wichtige Aufgabe zu erfüllen.
Schließlich richten sich alle Regelmaßnahmen bei Aufnahme und Mixdown nach dem, was das Ohr des Tontechnikers dem Lautsprecher entnimmt. Gleichzeitig ist es aber erforderlich, das dass, was die Abmischung darstellt, überall gut klingt, egal ob im Auto, in der Disco, auf der teuren Hifi Anlage im Wohnzimmer, aber auch über dem Mono- Küchenradio. Die Anforderungen, die an diese Lautsprecher gestellt werden, können an Hifi- Maßstäbe nicht unbedingt gemessen werden.
Studiomonitoring verlangt: - ein absolut neutrales Klangbild
- völlige Verfärbungsfreiheit
- größtmöglicher dynamischer Spielraum
- sehr gutes Impulsverhalten
- hohe Betriebssicherheit
- Aufschluss über Räumlichkeit Inhalt 1 Akustische und physikalische Grundbegriffe
1.1 Schall und Schwingungen
1.2 Verzerrungen
1.3 Resonanzen
1.4 Q- Faktor
1.5 Widerstand
2 Funktion eines Lautsprechers
2.1 Querschnitt eines dynamischen Konuslautsprechers
2.2 Dynamische Lautsprecher
2.3 Querschnitt eines dynamischen Kalottenlautsprechers
2.4 Kalottenlautsprecher
3 Gehäusekonstruktionen
3.1 Geschlossene Gehäuse
3.2 Bassreflexgehäuse
4 Frequenzweichen
4.1 Bauteile einer Frequenzweiche
4.2 Spule
4.3 Kondensator
4.4 Widerstand
4.5 Frequenzweichenschaltung 1 Akustische und physikalische Grundbegriffe 1.1 Schall und Schwingungen Lautsprecher setzen elektrische Energie in akustische, und somit in hörbare Schwingung um. Es entsteht also Schallenergie. Der Schall kann sich dabei in verschiedenen Medien ausbreite.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt dabei von der Dichte des Mediums ab.
Die Schallausbreitung in der Luft ist temperaturabhängig. Bei +20°C liegt sie bei 344m/sec.
Ein idealer Lautsprecher würde alle, die ihm vom Verstärker gelieferten Signale in Schall umwandeln, ohne etwas hinzuzufügen.
Den idealen Wandler gibt es aber nicht. Der vom Lautsprecher erzeugte Schall ist nie analog zu dem vom Verstärker eingespeisten Wechselstrom. Diese Abweichungen nennt man Verzerrungen. 1.2 Verzerrungen Theoretisch würde ein optimaler Lautsprecher alle Frequenzen (ca. 25 Hz bis 20 kHz) mit gleicher Schallstärke wiedergeben, wenn die zugeführte Spannung konstant ist.
Selbst bei Lautsprechern der Spitzenklasse sind Abweichungen von +-3dB keine Seltenheit. Dabei sind Pegelunterschiede von 3dB schon deutlich hörbar.
Verzerrungen zeigen sich allerdings nicht nur im Frequenzgang, sondern auch in ihrem Impulsverhalten. Die Membran muss einen elektrisch zugeführten Impuls ohne Verzögerung in Schall umwandeln und nach dem Abschalten des Signals sofort wieder in seine Ruheposition zurückkehren. Das gelingt aber nur recht unvollkommen. Der Lautsprecher muss beim Einschwingen zuerst einmal die Masseträgheit der Membran und der ihr umgebebenen Luft überwinden.
Wenn die Membran nicht gerade superschwer und der Magnet nicht extrem schwach ist,
spielt das Masse- Kraft- Verhältnis jedoch nur eine untergeordnete Rolle. 1.3 Resonanzen Viel wichtiger ist die Resonanzarmut. Gute Lautsprecher zeichnen sich vor allem durch geringe Eigenresonanzen aus.
Durch die vom Lautsprecher erzeugten Vor- und Rückwärtsbewegungen geraten Membranrand, Randaufhängung und Staubschutzkalotte außer Kontrolle, es entstehen Partialschwingungen.
Die Grundresonanz eines Chassis, auch Resonanzfrequenz (fs) genannt wird durch die schwingende Masse und die Nachgiebigkeit der Membranaufhängung bestimmt. Erhöht sich die Masse bzw. die Nachgiebigkeit, fällt somit die Resonanzfrequenz.
Wird das Chassis nun in ein Gehäuse eingebaut, erhöht sich die Masse des Lautsprechers in Abhängigkeit des Gehäusevolumens.
Es ergibt sich eine Gehäuse Einbauresonanzfrequenz (fsb). 1.4 Q-Faktor Mechanische Güte: Die mechanische Güte (Qms) ist vom mechanischen Widerstand (Rms) in der Membranaufhängung abhängig. Häufig strebt man bewusst eine hohe mechanische Dämpfung an, um damit Schwingungen in der Membran zu dämpfen.
Das hat aber auch Auswirkungen auf den Frequenz- und Amplitudenverlauf.
Je höher der Lautsprecher mechanisch bedämpft wird, um so mehr fällt der Übertragungsbereich und der Schalldruckpegel. Eine hohe Dämpfung ist bei Tief tönern eher gewünscht als bei Hochtönen. Elektrische Güte: Die elektrische Güte (Qes) drückt die Bedämpfung des Schwingkreises "Lautsprecher"
durch den elektrischen Antrieb aus. Diese bewirkt in etwa das gleiche wie Qms, hat aber eine andere Entstehung.
Ein Lautsprecher besitzt aufgrund seiner Bauart einen Gleichstromwiderstand und einen in Reihe geschaltenen Parallelschwingkreis (als Ersatzschaltbild gesehen). Der Schwingkreis
bildet den Motor des Lautsprechers, hat aber noch den Nebeneffekt, dass er wie eine Frequenzweiche den Frequenzgang bestimmt. Gesamtgüte: Das Zusammenwirken der schwingenden Masse, der Nachgiebigkeit der Membranaufhängung und den Widerständen des Lautsprechers bestimmt die Gesamtgüte (Qts). 1.5 Widerstand Wie schon bereits erwähnt besitzt der Lautsprecher einen ohmschen Widerstand, der für die Berechnung wichtig ist. Gleichstromwiderstand: Der Gleichstromwiderstand (Rdc) entsteht durch den elektrischen Widerstand der Schwingspule. Er wird mit einem Ohmmeter gemessen und liegt je nach Länge der Schwingspule zwischen 3 und 9 Ohm. Nennimpedanz: Die Nennimpedanz (Z) wird bei Lautsprechern in zwei Werten angegeben, in 4 Ohm oder 8 Ohm.
Diese Angabe nach DIN soll helfen, einen Lautsprecher an den Verstärker anzupassen.
Eine Unterschreitung der Impedanz, z.B. durch parallelschalten zweier 4 Ohm Lautsprechern, ist allerdings zu vermeiden. Sie kann zu einer Zerstörung der Endstufe führen. R gesamt = Rl / R2
Werden zwei Lautsprecher in Reihe geschaltet, ist das zwar nicht tragisch für die Endstufe, verringert aber den Wirkungsgrad. R gesamt = Rl + R2 Scheinwiderstände: Scheinwiderstände, auch Wirk- oder Blindwiderstände genannt, entstehen durch frequenzabhängige Bauteile im Lautsprecher. Dies sind Spulen und Kondensatoren in der Frequenzweiche, aber auch der Lautsprecher selber. Diese Bauteile haben an verschiedenen Frequenzen einen anderen ohmschen Widerstand.
2 Funktion eines Lautsprechers 2.1 Querschnitt durch einen dynamischen Konuslautsprecher
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1 Permanentmagnet
2 Polkern
3 Polplatten
4 Zentriermembran
5 Korb
6 Membran
7 Sicke
8 Staubschutzkalotte 2.2 Dynamische Lautsprecher Die Wirkungsweise eines dynamischen Lautsprechers beruht auf der Kraftausübung der stromdurchflossenen Schwingspule im Magnetfeld. Das Magnetfeld wird durch den Dauermagneten erzeugt.
Ein durch die Schwingspule fließender Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Durch die Überlagerung des magnetischen Wechselfeldes und des permanenten Magnetfeldes schwingt die Spule im Luftspalt des Dauermagneten und treibt die Membran an.
Die Kraft, mit der die Membran angetrieben wird, hängt von der Stärke des Signalstroms, der Felddichte des Dauermagneten, der Ausführung der Schwingspule und von der Enge des Luftspaltes ab.
Die Zentriermembran hält die Schwingspule in der Mitte des Luftspaltes.
Die Membran ist konisch geformt und besteht meist aus Pappe, Aluminium, Polypropylen oder Glasfaser. Es können je nach Membrandurchmesser hohe, mittlere oder tiefe Frequenzen übertragen werden. Der Korb wird bei hochwertigen Chassis aus Stahlguss, Alu oder Magnesium gegossen, die eine Resonanzarmut garantieren. Bei Koaxiallautsprechern ist statt der Staubschutzkalotte ein zweiter kleiner Lautsprecher für hohe Frequenzen eingebaut. 2.3 Querschnitt durch einen dynamischen Kalottenlautsprecher
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1 Polkern
2 Permanentmagnet
3 Schwingspule
4 Polplatte
5 Zentriermembran
6 Kalotte 2.4 Kalottenlautsprecher Kalottenlautsprecher funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Konuslautsprecher, benötigen aber kein Gehäuse.
Allerdings haben diese Lautsprecher einen erwünschten Nachteil. Sie sind aufgrund der kleinen Membranfläche, ca. 10 bis 50 mm., nicht dazu in der Lage tiefe Frequenzen zu erzeugen. Dafür können sie aufgrund der geringen zu bewegenden Membranmasse hohe Frequenzen nahezu linear übertragen. Deshalb werden sie ausschließlich als Hoch- oder Mitteltöner eingesetzt. 3 Gehäusekonstruktion Schwingt die Membran eines dynamischen Lautsprechers nach vorne, wird die Luft von ihr komprimiert und hinter ihr expandiert. Bewegt sich die Membran nach hinten, ist es genau umgekehrt.
Um zu vermeiden, das sich Verdichtung und Verdünnung schon in Membrannähe gegenseitig aufheben (akustischer Kurzschluss), müssen Lautsprecher in eine große Schallwand oder besser noch in ein Gehäuse eingebaut werden. 3.1 Geschlossene Gehäuse Geschlossene Gehäuse isolieren den rückwärtig erzeugten Druck und Unterdruck und hindern ihn daran, dem frontal produzierten entgegenzuwirken. Die Federkraft des Luftvolumens im Gehäuse kann dem Tieftöner allerdings ganz schön zu schaffen machen. Sie erhöht die Resonanzfrequenz des Chassis und lässt tiefe Frequenzen einen nicht sehr hohen Schalldruck erzeugen. 3.2 Bassreflexgehäuse Das Bassreflexgehäuse stellt ein geschlossenes Gehäuse zu Grunde, das aber einer definierte tunnelförmige Öffnung in der Gehäusewand aufweist. Diese Konstruktion stellt einen
Helmholzresonator dar, in dem die Federsteife der Luft im Gehäuseinnenraum mit der Masse der Luft im Tunnel bei der Gehäuseresonanzfrequenz (fb) resoniert.
Frequenzen in der Nähe von fb werden vorwiegend aus der Reflexöffnung abgestrahlt, wobei die Membranbewegung stark reduziert wird. 4 Frequenzweichen Frequenzweichen werden in Lautsprechern immer dann benötigt, wenn es darum geht, zwei oder mehrere Chassis in einer Box zu verbinden. Mehrwegekonstruktionen haben gegenüber Einwegekonstruktionen nun mal den Vorteil, das z.B. der Tieftöner nur tiefe, und der Hochtöner nur hohe Frequenzen abstrahlen muss.
Das hat zur Folge, das hohen Frequenzen nicht durch tieffrequente Schwingungen der Membran gestört werden. Es entstehen also keine Modulationen, die sich als Verzerrungen des Klangbildes im Frequenzgang nachteilig bemerkbar machen würden.
Wird ein Hochtöner nicht mit einer Frequenzweiche angekoppelt, kann das Chassis dadurch zerstört werden. 4.1 Bauteile einer Frequenzweiche Eine Frequenzweiche besteht aus frequenzabhängigen Bauteilen.
Diese Bauteile haben die Aufgabe das Chassis von nicht erwünschten Frequenzen zu befreien. 4.2 Spulen Spule bestehen aus isoliertem Kupferdraht, der auf einen Kern aufgewickelt ist.
Die Windungszahl bestimmt die Induktivität der Spule und wird mit Henry (H) ausgedrückt.
Im Wechselstromkreis wirkt eine Spule als Blindwiderstand. Der induktive Blindwiderstand (Xl) ist von der Induktivität und der Frequenz abhängig. Steigt also die Frequenz an wird der Blindwiderstand der Spule höher. In der Frequenzweiche hat die Spule also die Aufgabe hohe Frequenzen zu sperren, bzw. niedrige Frequenzen keinen Widerstand entgegenzuwirken. 4.3 Kondensatoren Kondensatoren bestehen grundsätzlich aus zwei parallel zueinander stehenden Leiterplatten, zwischen denen sich ein Isolierstoff, das Dielektrikum, befindet. Der Abstand der Platten zueinander bestimmt die Kapazität, die in Farad (F) ausgedrückt wird.
Kondensatoren haben wie Spulen auch einen Blindwiderstand Xc, stellen aber den niedrigen Frequenzen ein Widerstand entgegen.
In der Frequenzweiche haben Kondensatoren die Aufgabe, tiefe Frequenzen zu sperren und hohe durchzulassen. 4.4 Widerstände
Widerstände sind im Idealfall keine frequenzabhängige Bauteile. Sie dienen nur zur Strom- oder Spannungsanpassung. Das hat eine Absenkung des Schalldrucks eines Chassis zur Folge. 4.5 Frequenzweichenschaltung Mit Frequenzweichen will man aus dem anliegendem Frequenzgemisch zwei oder mehrere Lautsprecher so entkoppeln, das den einzelnen Lautsprechern durch den freuqenzabhängige Bauteilen nur bestimmte Frequenzen zugeführt werden. Damit keine Lücke im abgestrahlten Frequenzbereich eintritt, müssen die obere Grenzfrequenz des Tieftöners und die untere Trennfrequenz des Hochtöners genau zusammenfallen. Man nennt diese Überlappung
Trennfrequenz (fü). Jedoch muss nicht nur die Trennfrequenz bei der Entwicklung einer Frequenzweiche berücksichtigt werden, sondern auch die Steilheit der Filter. Diese Steilheit nennt man Flankensteilheit und wird in dB pro Oktave angegeben.