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Schallwandler

Tonabnehmer

Magnetischer Tonabnehmer

Neben der Umwandlung von Luftschall existieren noch weitere Möglichkeiten mechanische Schwingungen in die elektrische Ebene zu transformieren.

So lassen sich beispielsweise die Saitenschwingungen von Instrumenten mittels magnetischen Tonabnehmern ohne den Umweg über den Luftschall direkt elektrisch erfassen.

Tonabnehmer für Saiteninstrumente arbeiten i.d.R. nach elektromagnetischem Prinzip, ähnlich dem der elektromagnetischen Mikrofone.

Hierbei wird mit Hilfe von Stabmagneten (Permanentmagnet), um welchen zahlreiche Windungen einer Spule gewickelt sind, das elektrische Signal erzeugt. Durch die lokale Nähe von Magnet und schwingender Saite wird in der Spule bei Änderung des Abstandes zwischen Magnet und Saite eine Änderung des magnetischen Flusses erzeugt. Dies hängt damit zusammen, dass sich die Breite des zwischen beiden Elementen existierenden Luftspaltes durch die Saitenschwingung ändert. Die sich ergebenden Ausgangsspannungen an den Spulenklemmen können aufgrund der vielen Windungen für die Verhältnisse recht hoch werden (bis zu 1V). Diese Tonabnehmer sind i.d.R. relativ hochohmig.

 

Piezoelektrischer Tonabnehmer

Schwingungen der Membranen und Oberflächen von Musikinstrumenten können auch mit Hilfe piezoelektrischer Tonabnehmer erfasst werden.

Setzt man isolierende Stoffe einem elektrischen Feld aus, zeigen sie die Eigenschaft mehr oder weniger starker Verformung. Für bestimmte Stoffe (z.B. Quarz, Lithiumniobat, Polyvinylfluorid und bestimmte Ferroelektrika wie Bariumtitanat und Blei-Zirkonium-Titanat) ist dieser Effekt besonders ausgeprägt. Er resultiert aus den besonderen Strukturen dieser Stoffe und ist i.d.R. auch umkehrbar. Auf diese Weise lassen sich sowohl Lautsprecher als auch Mikrofone bzw. Tonabnehmer realisieren. Besonderer Vorteil der Wandler ist der geringe Preis bei gleichzeitig akzeptablen Übertragungseigenschaften.

Durch die Eigenschaft, Spannungen bei Verformung zu erzeugen, sind diese Kristalle und Keramiken prädestiniert für Tonabnehmersysteme, welche durch Körperschall verursachte Bewegung in ein elektrisches Signal umsetzen.

Sie kommen häufig bei Tonabnehmern für Kontrabass, Klavier oder auch als Schlagzeugtrigger zum Einsatz. An Schlagzeug verwendete Piezotonabnehmer erfüllen hier meist lediglich die Funktion der Ausgabe eines Impulses beim Anschlagen des Schlagzeugfells. Mittels elektronischer Schaltung kann der ausgegebene Impuls dann in ein TTL-Signal mit definierter Spannungshöhe umgewandelt werden, um so beispielsweise bestimmte Aktionen auszulösen. So wird häufig auch ein MIDI-Befehl erzeugt, welcher zur Ausgabe eines anderen als des vom Schlagzeug erzeugten Klanges auf elektronischem Wege genutzt wird (Ansteuerung eines Samplers möglich).

 

Mikrofone

Mikrofone


In der Praxis sind hauptsächlich zwei verschiedene Arten von Mikrofonen anzutreffen, obgleich noch weitere existieren. Die heutzutage aufgrund ihrer in tontechnischer Hinsicht schlechteren Abbildungseigenschaften kaum noch verwendeten Arten von Mikrofonen sind einerseits das Kohlemikrofon, dessen Funktion auf der Widerstandsänderung eines Kohlegranulats bei Druck und andererseits das Piezomikrofon, dessen Wirkungsweise auf der Erzeugung einer Spannung durch Verformung eines Kristalls beruht.
Letzteres findet häufiger seinen Einsatz in Tonabnehmersystemen als in Mikrofonen, da seine Übertragungseigenschaften hinter denen der dynamischen und dielektrischen Mikrofone zurückbleiben. Das Prinzip des Kohlemikrofons ist zudem nicht, im Gegensatz zu den anderen Wandlern, reversibel.
Die Arbeitsweise und Eigenschaften dieser beiden Wandler sollen hier nur am Rande erwähnt bleiben.

Kondensatormikrofone und elektrostatisches Prinzip

Kondensatormikrofon

Die Erzeugung eines elektrischen Signals in Kondensatormikrofonen beruht auf dem Prinzip der Kapazitätsänderung. Abbildung II-1 auf der dritten Seite dieses Kapitels zeigt die Mikrofonkapsel bestehend aus zwei gegenüberliegenden Kondensatorplatten, wovon eine elastisch aufgehängt, die andere fest eingespannt ist. Bei Schalleinwirkung wird so die eine Platte (Membran) gegenüber der anderen bewegt. Zwischen beiden Kondensatorplatten wird eine Spannung Uq angelegt und (hier hellgrün dargestellt) ein elektrisches Feld aufgebaut.
Die auf den Platten gespeicherte Ladungsmenge Q kann nun durch Änderung des Abstandes zwischen ihnen variieren, da der Abstand neben den dielektrischen Eigenschaften des zwischen den Platten befindlichen Mediums sowie der Plattenfläche eine kapazitätsbestimmende Größe ist. Eine veränderliche Ladungsmenge innerhalb der Zeit ist jedoch nichts anderes als ein elektrischer Strom. Dieser lässt am nachfolgenden Widerstand Re eine Spannung abfallen, welche, führt man sie dem Eingang eines nachfolgenden Verstärkers zu, weiterverarbeitet werden kann.
In welcher Weise sich die Änderung der Plattenladung vollzieht, hängt hauptsächlich von der Änderung des Abstandes d ab. Die durch Luftdruckänderungen, also Schall, hervorgerufene Plattenbewegung projiziert sich demnach linear auf die Ladungsänderung. So trägt der von und zu den Platten fließende Strom ein Abbild der durch Schalleinwirkung hervorgerufenen Bewegung der vorderen Kondensatorplatte. Das Kondensatormikrofon ist somit ein Auslenkungswandler.
Kondensatormikrofone können aufgrund des gleich hinter der Kapsel folgenden Verstärkers relativ niederohmig im Vergleich zu anderen Mikrofonen hohe Spannungen am Ausgang zur Verfügung stellen. Die Kondensatorkapsel selbst hat die den Kapazitäten eigene frequenzabhängige Reaktanz (Blindwiderstand). Typische Werte für die Empfindlichkeit liegen ungefähr bei 10 bis 30mV/Pa.

Die Kapsel ist i.d.R. luftdicht verschlossen, sodass neben der Nachgiebigkeit der Membranaufhängung, deren Masse sowie deren Reibungswiderstand auch das eingeschlossene Luftpolster frequenzgangbestimmend sind. Bei solchen geschlossenen Kapseln kann die Membran nur auf veränderlichen Luftdruck vor der Membran reagieren, rückseitig findet keine Umströmung statt. Daher spricht man bei diesen geschlossenen Kapseln vom Druckempfänger. Da diese auf den Absolutwert des Druckes reagieren, ist es fast gleich, von welcher Seite der Schall einfällt. Auch rückseitig einfallender Schall hat im Vergleich zu frontseitiger Besprechung annähernd den gleichen Pegel. Lediglich im Höhenbereich arbeitet auch diese Kapsel etwas gerichteter.

Die Richtcharakteristik hat die Form einer Kugel. Rückseitig teilweise durch sogenannte Laufzeitglieder geöffnete Kapseln ermöglichen die Erzeugung der Membranauslenkung durch Druckunterschiede zwischen Rück- und Vorderseite und stellen so halboffene Druckgradientenempfänger dar. Die sich daraus ergebende Richtcharakteristik hat die Form einer Niere. Dessen ursprüngliche Form stellt der offene Druckgradientenempfänger dar, welcher durch das Bändchenmikrofon realisiert wird. Diese verschiedenen Kapselausführungen gelten also für sämtliche Mikrofone und sind nicht einem bestimmten Mikrofontyp (außer der zuletzt erwähnten dem Bändchen) vorbehalten. Typisch für den Druckgradientenempfänger ist der sogenannte Nahbesprechungseffekt, welcher, bedingt durch die Nähe zwischen Kapsel und Schallquelle und die Charakteristik der von der Quelle ausgehenden kugelförmigen Wellenausbreitung für tiefe Frequenzen, bei der Abbildung tiefer Frequenzen eine Anhebung des Pegels zur Folge hat.

Die Ladung der Kondensatorkapsel kann auch durch ein Material erzeugt werden, welches, einmal einem starken elektrischen Feld ausgesetzt, diese Polarisation beibehält. Dieses Material wird als Gegenelektrode der Membran in Form einer Folie in der Kapsel verwendet. Diese spezielle Art von Kondensatormikrofon ist das Elektretmikrofon. Es ist zwar nicht so oft im professionellen Tonstudiobereich anzutreffen, aber insgesamt mit erstaunlichen 90% Anteil das meistverwendete Mikrofon. Vor allem wegen seiner geringen Kosten als auch der kleinen Abmessungen bei akzeptablen Übertragungseigenschaften ist seine Anwendung im Consumer-Bereich weit verbreitet. Auch hinter der Kapsel des Elektretmikrofons folgt unmittelbar der Vorverstärker und Impedanzwandler. Dank heutiger SMD Technologie (SMD: surface mounted devices) hat diese Verstärkerstufe auch in sehr kleinen Kapseln Platz.
Impedanzwandler und Verstärkerstufen in konventionellen Kondensatormikrofonen benötigen wesentlich mehr Speisespannung als die des Elektretmikrofons, einerseits für die Vorspannung der Kapsel, andererseits für die Speisung der Vorverstärkerstufe wird eine Phantomspannung in Höhe von +48V auf beiden Leitern der symmetrischen Signalleitung angelegt. Einige Hersteller liefern zu ihren Mikrofonen auch ein separates Netzteil, welches spezielle Spannungen (z.B. für die Versorgung einer Röhrenvorverstärkerstufe), die durchaus 200V übersteigen können, erzeugt. Die unmittelbar auf die Kapsel folgende Anbindung der Verstärkerstufe hat den Grund, dass an den hochohmigen Widerstand, über welchen die Signalspannung der Kondensatorkapsel erzeugt wird, keine lange Signalleitung mit anschließendem Netzwerk angepasst werden kann, ohne Signalpegel und Stör- bzw. Rauschabstand entscheidend zu verringern. Das Wandlerprinzip des Kondensatormikrofons wird im Übrigen auch elektrostatisch genannt, obwohl sich hier sowohl mechanische Komponenten als auch die Ladungsmengen bewegen. Elektrotechnisch gesehen sind die Änderungen des elektrischen Feldes jedoch langsam gegenüber denen der elektromagnetischen Wellen, welche sich mit Lichtgeschwindigkeit vollziehen, und deshalb im Rahmen der Elektrostatik abzuhandeln. Unter dieser Voraussetzung könnte auch das weithin als dynamisches Mikrofon bekannte als magnetostatisches bezeichnet werden, jedoch ist hier die Namensgebung historisch begründet und nicht ganz konsequent.

Abbildung II-1, Kondensatormikrofon

Abbildung II-1, Kondensatormikrofon



Dynamische Mikrofone und magnetisches Prinzip


Diese zweite Art von Mikrofonen ist in der Tonstudiopraxis neben den Kondensatormikrofonen mindestens ebenso häufig anzutreffen. Streng genommen lassen sich hierunter zwei weitere verschiedene Arten einordnen, wovon die hier zuerst behandelte aber eine weitaus größere praktische Rolle spielt: das elektrodynamische Mikrofon. Ferner gibt es noch das elektromagnetische Mikrofon, dessen Ausgangssignalspannungen aufgrund der Orientierung von Leiter und Magnetfluss jedoch geringer sind. Zu ersterem zählen sowohl das Tauchspulenmikrofon als auch das Bändchenmikrofon.


Tauchspulenmikrofon

Abildung II-2 zeigt den prinzipiellen Aufbau dieser Mikrofonart. Eine mit der Membran verbundene Spule taucht in den Luftspalt eines Topfmagneten ein, wodurch bei Membranbewegung aufgrund der Induktion in der Spule eine den Luftdruckänderungen entsprechende Wechselspannung induziert wird. Diese Spannung lässt sich durch einen angeschlossenen Verstärker weiterverarbeiten. Die Höhe der Signalspannung hängt maßgeblich von den elektrischen Eigenschaften (Spuleninduktivität) als auch von den mechanischen Eigenschaften der Anordnung ab. So ist die Amplitude der Membranauslenkung und demnach die Eintauchtiefe der Wicklung ins Magnetfeld (Länge l des vom Feld durchsetzten Leiters) als auch die magnetische Flussdichte B im Spalt des verwendeten Topfmagneten bestimmend für die Höhe des Ausgangssignals. Die Induktionsspannung ist von den zeitlichen Änderungen des magnetischen Flusses abhängig. Sie wird danach umso größer, je schneller sich der Leiter im Feld bewegt (Schnelle v). Das Tauchspulenmikrofon ist ein Schnellewandler.

Abbildung II-2, Tauchspulenmikrofon

Abbildung II-2, Tauchspulenmikrofon


Unterschiede zu den Kondensatormikrofonen ergeben sich vor allem durch die wesentlich höhere Masse der beweglichen Membran in Verbindung mit der Tauchspule sowie durch den Effekt der Behinderung der Membranbewegung bei Belastung des Ausgangs. Dennoch sind die Signalamplituden aufgrund des fehlenden Verstärkers zwar geringer als die der Kondensatormikrofone, aber dennoch gut auswertbar. Insbesondere gegenüber den Bändchenmikrofonen, welche ebenfalls Schnellewandler darstellen, jedoch aufgrund der wesentlich kürzeren Leiterlänge im Magnetfeld nicht so hohe Induktionen aufweisen, liefert das Tauchspulenmikrofon größere Ausgangssignale. Ausgangsseitig besitzen Tauchspulenmikrofone Impedanzen von etwa 200Ω bei einem Betriebsübertragungsfaktor von bis zu 5mV/Pa.

Bändchenmikrofon

Das zweite nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeitende Mikrofon ist das Bändchenmikrofon. Sein prinzipieller Aufbau ist in Abbildung II-3 zu sehen. Im Bändchenmikrofon bewegt sich ein dünnes Metallbändchen als Membran zwischen zwei Polschuhen eines starken (fast hufeisenförmigen) Magneten. Die Leiterlänge ist hier bedeutend kürzer als beim Tauchspulenmikrofon und die Kapsel ist nach vorn und hinten hin offen. Das Bändchen in der Kapsel reagiert daher auf die Druckunterschiede zwischen Vor- und Rückseite der Membran, also den Gradienten und sie erhält deshalb ihren Namen: Druckgradientenempfänger. Aus diesem Arbeitsprinzip ergibt sich die Richtcharakteristik Acht. Die Empfindlichkeit dieses Mikrofons liegt bei ca. 1mV/Pa. Seine Ausgangsimpedanz ist wesentlich geringer als die des Tauchspulenmikrofons und beträgt maximal einige Ohm.

Abbildung II-3, Bändchenmikrofon

Abbildung II-3, Bändchenmikrofon


Magnetisches Mikrofon

Magnetische Mikrofone erzeugen die Ausgangsspannung durch Änderungen des magnetischen Flusses mittels variabler Luftspaltbreite eines magnetischen Kreises. Hier dient die Membran als Anker, welcher durch seine Bewegung den Widerstand im magnetischen Kreis eines Permanentmagneten verändert. Um den Permanentmagneten ist die Wicklung aufgebracht, an deren Klemmen eine durch Induktion hervorgerufene Ausgangsspannung abgegriffen werden kann. Das Magnetfeld kann auch durch Gleichstromfluss in der Spule erzeugt werden. Hier überlagern sich dann Gleichstrom und Signalwechselstrom (Abbildung II-4, elektromagnetisches Mikrofon ).

Abbildung II-4, elektromagnetisches Mikrofon

Abbildung II-4, elektromagnetisches Mikrofon

Lautsprecher

Lautsprecher

Allgemeines


Den Abschluss der gesamten tontechnischen Signalübertragungskette bildet der Ort der Schallreproduktion, also der Lautsprecher. Den Schallwandlern am Anfang der Kette haben wir uns bereits im vorigen Abschnitt Mikrofone gewidmet. Die ihnen zugrundeliegenden Prinzipien findet man ebenso auf der Gegenseite. Während wir bisher davon gesprochen haben, Schallsignale in die elektrische Ebene zu transformieren, gehen die Lautsprecher den umgekehrten Weg. Hier wird ein wesentlich energetischeres elektrisches Signal genutzt, um Membranbewegungen zu erzeugen. Sie verursachen periodische Druckänderungen der Luft vor ihrer Wirkungsfläche und bilden so den Ursprung der Schallwellenausbreitung in diesem Medium. Ein eventueller Einbau des Lautsprechers in ein Gehäuse nimmt ebenfalls entscheidenden Einfluss auf dessen Eigenschaften, da sich mit Ankopplung des Lautsprechers an ein abgeschlossenes oder nichtabgeschlossenes Luftvolumen die Elastizität der Feder, welche im nicht eingebauten Zustand lediglich durch die Aufhängung gebildet wurde, als auch der Reibungswiderstand des Systems durch entsprechende Verluste in Luftvolumen als auch Gehäuse verändert. Die Resonanzfrequenz verschiebt sich durch den Einbau des Chassis in ein Boxengehäuse zu höheren oder tieferen Frequenzen hin, je nachdem, ob das Gehäuse geschlossen oder offen (Bassreflex oder Transmission Line) ist.
Mit Hilfe ventilierter Gehäuse kann der vom Lautsprecher abgestrahlte Frequenzbereich nach unten hin erweitert werden. Sie bilden aber immer einen angeschlossenen Resonator, dessen frequenzielle Abstimmung als auch Güte entscheidenden Einfluss auf den Klang des gesamten Systems hat. Die schlechte akustische Anpassung der kolbenförmig arbeitenden Membran an die Schallkennimpedanz des sie umgebenden Mediums Luft führt leider zu einem schlechten Wirkungsgrad. Diese Eigenschaft ist vor allem für den Tief- und Mitteltonbereich relevant. Oberhalb einer durch das Verhältnis von Wellenlänge und Membrandurchmesser bestimmten Grenzfrequenz ist die Anpassung des Strahlungswiderstandes an die Luft wieder günstiger. Ferner ist die kolbenförmige Bewegung in der Praxis auch keine ideale. Eine gleichmäßig nach vorn und hinten auslenkende flache Membran ist technisch nur durch hohen Aufwand realisierbar, da der Antrieb immer für Biegewellen in der Membranfläche sorgt. Daher werden konische Membranformen verwendet, da diese im Vergleich zur Kolbenform höhere Biegesteifigkeit besitzen und daher nicht so stark von Eigenresonanzen gekennzeichnet sind.

Versuche, den Wirkungsgrad von Lautsprechern zu verbessern, sind die Aufbauten von Trichtern mit konischem oder exponentiellem Querschnittsverlauf (Hörner) vor der Membran (gelegentlich auch dahinter). Dadurch hat die Luft, auf welche die Bewegungsenergie der Membran übertragen werden soll, keine Möglichkeit mehr, zur Seite hin auszuweichen. Die Energieübertragung wird effektiver, da sich der Druck an der Oberfläche der Membran bei Bewegung erhöht. Durch die Erhöhung der Querschnittsfläche des Trichters mit steigendem Abstand zur Membran nimmt der Schalldruck stetig ab und der Strahlungswiderstand wird in Richtung Erhöhung der Schnelle transformiert, eine allmähliche Anpassung des Strahlungswiderstandes an die Schallkennimpedanz der Luft wird erreicht. Problematisch sind hier wiederum Reflexionen an der Mündung des Trichters. Es entsteht eine von der Mündung zum Hals zurücklaufende Welle, die für stehende Wellen im Horn sorgt und damit für Welligkeiten im Frequenzgang. Will man Hörner für die Abstrahlung tiefer Frequenzen nutzen und zudem diese Reflexionen vermeiden, kommt man um eine sehr große Mündungsfläche sowie Trichterlänge nicht herum. Entsprechende Hörner werden demnach schnell unhandlich und sind wenig praktikabel. Der Antrieb der Membran und deren Bewegung kann wieder auf elektrostatischen, magnetostatischen oder elektromagnetischen Wirkungen beruhen und bildet das Gegenstück der bisher betrachteten Wirkungsweisen von Mikrofonen. Zur Beschreibung von Lautsprechern können daher auch die für die Mikrofone gewonnenen Erkenntnisse herangezogen werden. So ist die Einteilung der verschiedenen Arten von Lautsprechern ähnlich denen, die wir bereits bei den Mikrofonen dargestellt haben.

Dynamische Lautsprecher


Der nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeitende Lautsprecher (Abbildung II-5) hat einen mit dem dynamischen Mikrofon eng verwandten Aufbau. Auch hier wird eine Spule, welche mit einer Membran gekoppelt ist, in das Magnetfeld des Luftspaltes eines Topfmagneten getaucht. Sie führt bei Wechselstromfluss durch ihre Windungen eine durch die Wechselwirkung des eigenen induzierten Magnetfeldes mit dem des Permanentmagneten definierte Bewegung aus. Die Bewegung überträgt sich an die starr angekoppelte konusförmige Membran, welche ihrerseits mittels elastischer Sicke und Zentriermembran im Lautsprecherkorpus schwingend gelagert ist. Die Schwingungsfähigkeit der Membran ist (bei nicht in ein Boxengehäuse eingebautem Lautsprecher) auf elektrischer Seite durch die Parameter der Schwingspuleninduktivität, den ohmschen Widerstand der Wicklung, auf mechanischer Seite durch die Elastizität der Membranaufhängung, also deren Federwirkung, deren Reibungsverluste bei Bewegung als auch durch die Membranmasse inklusive mitbewegter Teile bestimmt.

Die mechanischen als auch elektrischen Komponenten bilden in ihrem Zusammenspiel einen Schwingkreis, welcher durch deren physikalische Eigenschaften gekennzeichnet ist. Aus ihnen lässt sich im Modell der Frequenzgang, die Resonanzfrequenz als auch die Güte theoretisch bestimmen. Die so ermittelten Größen stimmen, wie man experimentell festgestellt hat, recht gut mit den realen Werten überein. Das Modell ist jedoch auf kleine und damit lineare Auslenkungen beschränkt und kann auch noch zur Berücksichtigung weiterer Effekte erweitert werden.

Zur Modellbeschreibung der Lautsprecher dienen zumeist elektrische Ersatzschaltbilder, in welchen die mechanischen Komponenten als ihre elektrischen Entsprechungen behandelt werden und so zusammen mit den wirklichen elektrischen Größen einfach zu verrechnen sind (Abbildung II-6 ). Die Analogiebeziehungen sind ansatzweise im Abschnitt II.4.1.f) in Tabelle in Verbindung mit III.7.2.d erwähnt. Auch hier lässt sich somit die allgemeine Schwingungslehre für die Beschreibung nutzen, unabhängig davon, in welchem Teilgebiet der Physik wir uns gerade befinden. Für elektrische und mechanische Systeme muss lediglich für die mechanischen Größen ein bestimmter Ausdruck zur Transformation in die analogen elektrischen Größen gefunden werden, was selbstverständlich auch für alle mechanischen Schwingungssysteme gilt, welche man elektrisch beschreiben möchte.

D.h. unsere allgemeinen Betrachtungen lassen sich auch auf die Beschreibung anderer elektroakustischer Wandler wie z.B. die verschiedenen Mikrofonarten oder eben andere Lautsprecher, ja sogar auch auf die Tonabnehmer von Schallplattenspielern oder Gitarrentonabnehmer anwenden. In unserem Beispiel der Beschreibung eines dynamischen Lautsprechers verbindet der sogenannte Kraftfaktor die mechanische mit der elektrischen Welt, wobei B die Induktion oder magnetische Flussdichte bzw. l die Länge des vom Feld durchsetzten Leiterabschnittes bezeichnet. Der gesamte Impedanzverlauf des Lautsprechers ist durch das Zusammenwirken der mechanischen wie auch elektrischen Komponenten stark frequenzabhängig. Für hohe Frequenzen macht sich zunehmend die Schwingspuleninduktivität bemerkbar, welche für einen ausgeprägten Impedanzanstieg sorgt, der mechanische Schwingkreis bildet in tieferen Frequenzen eine mehr oder weniger starke Resonanz aus.

Abbildung II-5, dynamischer Lautsprecher

Abbildung II-5, dynamischer Lautsprecher


Abbildung II-6, dynamischer Lautsprecher, Ersatzschaltbild

Abbildung II-6, dynamischer Lautsprecher, Ersatzschaltbild



Elektrostaten


Abweichend vom elektromagnetischen Antrieb besteht auch die Möglichkeit, Membranen durch die Kraftwirkung des elektrischen Feldes zu bewegen. Allerdings sind hierzu recht hohe Spannungen (bis zu 5000V) notwendig. Bei nach dem elektrostatischen Prinzip (Abbildung II-7) arbeitenden Lautsprechern wird eine zwischen perforierten Elektroden eingebrachte und geladene Membran durch die zwischen ihr und den Elektroden liegende Wechselspannung in Bewegung gebracht. Die äußeren Elektroden werden dabei gegensätzlich angesteuert, wobei die Ladung der Membran konstant bleibt. Sie verhält sich so gewissermaßen wie eine Probeladung zwischen unterschiedlich geladenen Kondensatorplatten und erfährt eine entsprechend ihrer Ladung gerichtete Kraftwirkung. Diese Kraftwirkung ist proportional zur elektrischen Feldstärke und zur zwischen den Elektroden liegenden Wechselspannung. Damit ist eine der Ansteuerung proportionale Auslenkung gewährleistet. Die größten Vorteile dieser Wandlerart sind die geringe Membranmasse sowie die über die gesamte Membranfläche recht gleichmäßig verteilt angreifende Antriebskraft (homogener Verlauf des elektrischen Feldes), was für eine gute Unterdrückung von Partialschwingungen sorgt. Sie weisen ein ausgezeichnetes Impulsverhalten auf. Problematisch ist die Eigenschaft der Kapazität für die treibenden Endstufen. Kapazitive Lasten an Verstärkerausgängen können ungewollte Oszillationen verursachen. Die recht hohen Wechselspannungen an den Elektroden werden über Übertrager erzeugt, an welche aufgrund der hohen Spannungen ebenso hohe Anforderungen (Durchschlagsfestigkeit) gestellt werden. Weiterhin ist der Wandler nur begrenzt in der Lage hohe Auslenkungen zu erzeugen, was seine Benutzung als Tieftöner bei gleichzeitig hoher Lautstärke einschränkt. Das im Abschnitt Dynamische Lautsprecher über die Modellbeschreibung Gesagte gilt hier analog.


Abbildung II-7, elektrostatischer Lautsprecher

Abbildung II-7, elektrostatischer Lautsprecher

Magnetostaten


Bei Magnetostaten (Abbildung II-8) wird der Antrieb durch auf die Membran aufgebrachte meanderförmige und vom Wechselstrom durchflossene Leiterbahnen realisiert, welche zwischen gegenüberliegenden Streifenmagneten liegen. Letztere sind auf eine perforierte Platte geklebt und erzeugen ein parallel zur Membran verlaufendes Magnetfeld. Da das Magnetfeld lokal sehr begrenzt und nur in einem kleinen Bereich homogen ist, sind die Auslenkungen, soll der Wandler linear arbeiten, eher gering, weswegen er vornehmlich für den Hochtonbereich eingesetzt wird und nicht so hohe Schalldrücke erzeugen kann. Der Impedanzverlauf ist aufgrund der geringen Schwingspuleninduktivität flach und hat annähernd den Verlauf eines ohmschen Widerstandes. Bei entsprechender Leiterlänge entsteht durch den ohmschen Widerstand des Leiters eine in „normalen“ Bereichen liegende Impedanz von 4 – 16Ω. Der Ausgang der treibenden Endstufe wird dadurch im Übertragungsbereich des Wandlers recht gleichmäßig belastet.

Abbildung II-8, magnetostatischer Lautsprecher

Abbildung II-8, magnetostatischer Lautsprecher