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29.03.2007

Wie funktioniert eigentlich ein Lautsprecher?

Von Hans-Jürgen Humbert

Das Prinzip des elektrodynamischen Schallwandlers wurde 1925 vom amerikanischen Unternehmen Western Electric erfunden, und mit diesem Verfahren arbeiten heute noch rund 90 Prozent aller auf dem Markt befindlichen Lautsprecher.

Ein Lautsprecher besteht aus einem starken Magneten in Ringform mit innen liegendem Eisenkern. Zwischen Magnet und Eisenkern befindet sich ein kleiner Spalt. Der beträgt, je nach Ausführung des Lautsprechers, Bruchteile eines Millimeters oder wenige Millimeter. In diesem Spalt sitzt eine bewegliche Spule mit vielen Windungen Kupferdraht. Oben an der Spule ist die Membrane des Lautsprechers aufgehängt.

Schickt man nun elektrischen Strom durch die Spule, wird sie je nach Richtung des Stromes entweder tiefer in den Spalt hineingezogen oder aus ihm herausgedrängt. Da die Spule fest mit der Membrane verbunden ist, übertragen sich die Bewegungen der Spule auf die Membrane. Die stößt die Luftmoleküle an, und es entsteht ein hörbarer "Plopp". Bei einem Wechselstrom schwingt die Spule dauernd mit der Frequenz des Wechselstroms hin und her, und die Membran erzeugt einen hörbaren Ton mit derselben Frequenz. Bei einem zugeführten Audiosignal hört man dadurch jetzt Musik.

Ein Lautsprecher ist also recht simpel aufgebaut, doch warum sind hochwertige Lautsprecher dann so teuer?

Theorie und Praxis

Ein Problem bei der Lautsprecherfertigung besteht darin, dass die Membran ein gewisses Gewicht hat. Das muss beschleunigt beziehungsweise wieder abgebremst werden. Je größer die Membrane, desto größer ist auch deren Masse. Bei schnellen Änderungen des Wechselstroms kann die Membrane nicht mehr richtig folgen, und es kommt zu Verzerrungen. Ein einzelner Lautsprecher ist, sieht man von Sonderanfertigungen einmal ab, kaum in der Lage, den kompletten menschlichen Hörbereich von 16 Hz bis 20 kHz wiederzugeben. Deshalb wird das Hörspektrum in verschiedene Bereiche aufgeteilt und unterschiedlichen Lautsprechern zugeführt.

Die tiefen Töne gelangen auf Tiefton- oder Basslautsprecher, die recht großen Membranen besitzen. Mittel- oder Hoch-Töner kommen dagegen mit kleinen Membranen aus. Eine so genannte Frequenzweiche - bestehend aus Spulen, Kondensatoren und Widerständen - sorgt in den Boxen dafür, dass jedem Lautsprecher nur das Frequenzspektrum zugeführt wird, das er auch verarbeiten kann. Somit werden Verzerrungen bei der Wiedergabe sicher vermieden.

Problemfall Gehäuse

Betreibt man beispielsweise einen Lautsprecher offen, also ohne Gehäuse, so klingt er blechern und recht leise. Woran liegt das? Dazu betrachten wir den Lautsprecher einmal genauer bei der Arbeit. Bewegt sich die Membran nach vorn, so entsteht vor dem Lautsprecher ein Überdruck und gleichzeitig hinter der Membran ein Unterdruck. Die Luft fließt jetzt um den Lautsprecher herum und gleicht den Druckunterschied sofort aus - es entsteht ein "akustischer" Kurzschluss.

Lösung 1: Man verlängert den Weg der Luft künstlich. Dazu wird der Lautsprecher in eine Platte eingebaut - er bleibt dabei hinten offen. Die Luft muss nun einen weiten Weg zurücklegen, um den Druckunterschied auszugleichen. Die Klangqualität wird enorm gesteigert.

Lösung 2: Der Lautsprecher wird in einen geschlossenen Kasten eingebaut. Der akustische Kurzschluss ist beseitigt, und der Lautsprecher klingt viel besser und lauter. Aber durch die Abmessungen der Box können sich Resonanzen ausbilden und bestimmte Töne verstärken, während andere verschluckt werden. Nur mit aufwändigen Berechnungen und technischen Tricks bei der Konstruktion lässt sich dieses Resonanzverhalten in den Griff bekommen. Damit erklärt sich auch, warum gute Lautsprecher teuer sind.