Ein Lautsprecher oder Lautsprecher ist ein elektroakustischer Wandler, der dazu bestimmt ist, aus einem elektrischen Signal Schall zu erzeugen . Dabei ist es die Rückseite des Mikrofons . Als Erweiterung wird dieser Begriff manchmal verwendet, um ein vollständiges Gerät zu bezeichnen, das zur Tonwiedergabe bestimmt ist (siehe Lautsprecher ).
Vier Lautsprechertypen, elektrodynamisch , elektrostatisch , piezoelektrisch und isodynamisch, repräsentieren die gängigsten aktuellen Technologien. Der elektrodynamische Lautsprecher, der etwa 99% des Marktes abdeckt, ist für die Massentechnik noch relativ einfach zu bedienen.
Das 10. Dezember 1877wurde Werner von Siemens das erste Patent für einen Tauchspulenlautsprecher erteilt . Der Lautsprecher erfüllt ein sehr vielfältiges Anwendungsspektrum: Lautsprecher finden sich sowohl in Grußkarten als auch in Verbindung mit Konzert- Endstufen .
Anfangs wurden Lautsprecher fast ausschließlich zur Übertragung von Rufen in Werkstätten und Fabriken verwendet. Später erweiterte sich ihre Rolle und ermöglichte den Betrieb der drahtlosen Telefonie, da der Lautsprecher den normalen Telefonhörer ersetzt, indem er Sprache für eine große Anzahl von Zuhörern laut wiedergibt.
Ein Lautsprecher muss ein elektrisches Signal eines Verstärkers in ein mechanisches Signal (Luftdruckänderungen) umwandeln. Seit dem Fortschritt der Elektronik und dem Aufkommen digitaler Audioquellen ist es das einzige Element der Klangreproduktionskette, das mechanische Elemente enthält und daher zahlreichen materiellen Einschränkungen unterliegt. Es ist daher das schwache Glied in jedem elektroakustischen System.
Quelle.
Ein idealer Lautsprecher sollte Luftdruckänderungen, die zuvor von einem Mikrofon während der Aufnahme aufgenommen wurden, identisch wiedergeben.
Das ideale theoretische Modell zur Rekonstruktion einer homogenen Druckfront ist die pulsierende Kugel , eine Punktquelle, die alle Frequenzen des hörbaren Spektrums (20 bis 20.000 Hz ) in alle Richtungen abstrahlen kann .
Der Durchmesser seiner Membran muss viel kleiner sein als die minimale emittierte Wellenlänge . Für hörbare Höhen (20.000 Hz ) beträgt die Wellenlänge beispielsweise 1,7 cm . Andernfalls wird der Druck der von einer Kante der Membran abgegebenen Luft während der Zeit, in der sie sich zur anderen Kante ausbreitet, die von dieser Kante zu diesem Zeitpunkt erzeugte Depression aufheben (im Fall eines sinusförmigen Signals).
Die Bewegungen der Membran müssen den Schwankungen des elektrischen Signals getreu folgen, um keine Verzerrungen einzuführen . Dazu muss die Membran unendlich steif sein, um sich unter Druck nicht zu verformen und nicht selbst in Resonanz zu geraten,
In Abwesenheit von Systemen der Versklavung :
Wenn wir vom theoretischen Modell abweichen und mehrere Quellen verwenden, um das gesamte Spektrum zu reproduzieren, entstehen Interferenzen zwischen den verschiedenen Quellen und das Schallfeld ist im Raum nicht homogen. Der Hörer wird daher abhängig von der relativen Entfernung zwischen seinem Ohr und den verschiedenen Quellen eine unterschiedliche Wahrnehmung haben.
Es funktioniert nach folgendem Prinzip:
Der Motor ist wie folgt aufgebaut:
Wenn ein Strom durch diese Spule fließt, neigt aufgrund der an ihren Anschlüssen fixierten Spannung eine Kraft ( F ) dazu, die Spule zu veranlassen, das Feld B des Luftspalts in axialer Richtung zu verlassen. diese Kraft ist durch die Formel F = B · L · i · sin ( α ) ( Laplace-Kraft ) definiert, wobei B das Feld im Luftspalt ist, L die Drahtlänge der in den Luftspalt eingeführten Spule, i der Strom die Spule durchfließt, und dem Winkel α (alpha), der gleich dem Winkel zwischen dem Vektor B und dem Vektor I ist : beim Lautsprecher ist also sin ( α ) immer gleich 1. Die Kraft F ist proportional zu i , wenn B konstant ist (was der Fall ist, wenn die Magnetbaugruppe gut ausgelegt ist) und wenn L unabhängig von der Verschiebung der Spule konstant ist: Es muss daher sichergestellt werden, dass die Spule feldsymmetrisch montiert ist , so dass die Drahtlänge, die den Luftspalt verlässt, durch die in den Luftspalt eintretende Länge kompensiert wird.
Die mathematische Modellierung des Lautsprechers basiert weitgehend auf den Arbeiten von Thiele und Small. In diesem Modell zeichnet sich der Lautsprecher durch die Parameter Thiele / Small (en) aus . Trotz gewisser Unzulänglichkeiten, die mit der Komplexität des Lautsprecherwandlers verbunden sind, ist dieses Modell bis heute das am weitesten verbreitete Modell von Entwicklern elektroakustischer Geräte.
Die doppelte Energieumwandlung, elektrisch-mechanisch dann mechanisch-akustisch, ist nicht perfekt. Die elektromechanische Umwandlung erfolgt mit Wirkungsgradverlust, im Wesentlichen durch den Joule-Effekt .
Der Kampf gegen diese Hitze ermöglicht:
Diese drei Parameter sind wichtig, um die Verzerrung beim Bewegen der Spule so gering wie möglich zu halten. Verzerrung tritt auf, wenn die Bewegungen der Spule keine lineare Funktion des Stroms mehr sind. Die Lösungen der Hersteller basieren alle auf einem der beiden folgenden Ansätze:
Die Reduzierung des Stromverbrauchs erfolgt durch Erhöhung des Magnetfelds oder durch Erhöhung der Windungszahl in diesem Feld (siehe Formel für Induktivität ), wodurch die elektrische Intensität bei gleichem Schallpegel reduziert werden kann.
Durch die Reduzierung der Membranmasse oder die Flexibilisierung der Aufhängung wird die Belastung und damit auch der Stromverbrauch reduziert.
WärmeableitungDie Wärme wird von der Schwingspule nach der Formel erzeugt mit:
Diese Hitze wird durch die Membran und die Spinne für das Vorderteil blockiert. Hinten wird seine Evakuierung durch die Feldplatten und den Zentralkern oder einen Zylinderkopf gebremst. Um es zu evakuieren, gibt es mehrere Lösungen, die oft zusammen verwendet werden.
Strahlermembran
Die an der Membran befestigte Schwingspule kann Wärme auf die Membran übertragen, wenn der Wärmewiderstand zwischen den Membranen gering ist. Dieses System kommt bei den AE1s von Acoustic Energy zum Einsatz. Die Metallmembran wirkt als Kühler. Ein AE1 lässt 200 W effektiv für einen 90 mm zu .
Zusätzliche Strahler
Durch das Hinzufügen von Strahlern um den Umfang des Lautsprecherkopfes wird die von den Feldplatten und dem Zentralkern aufgenommene Wärme abgeführt. Bei Boston Acoustique kommt diese Lösung hauptsächlich bei Hochtönern zum Einsatz.
Durch Einführen eines Metallstabes in den mit einem Radiator verbundenen zentralen Kern wird die Wärme über diesen thermischen Gateway nach außen aus dem Gehäuse geleitet. Außerdem ist es möglich, die Box zu versteifen, indem sie sich wie eine Klampe verhält.
Belüftungsschächte
Durch das Durchbohren des Zentralkerns oder des Zylinderkopfes wird ein Luftkanal geschaffen. Die von der Spule auf den zentralen Kern übertragene Wärme wird durch diese Wanne abgeführt. Das ist die Vented Gap Cooling von JBL . Dieses System bietet eine Kühlung, die auf den Teil der Spule in der Nähe des vorderen Teils beschränkt ist. JBL hat eine Lösung erfunden, die die Spule durch drei kleine Vertiefungen in der Peripherie des zentralen Kerns belüftet. Die Luft gelangt direkt ins Herz der Spule, das ist der Super Vented Gap von JBL. Die dynamische Kompression wird auf wenige Dezibel gehalten. Ein Lautsprecher mit einer Spule mit kleinem Durchmesser wie EVs erfährt eine Kompression in der Größenordnung von 7 dB .
Eine einfachere Lösung besteht darin, direkt durch die Rückplatte und den zentralen Kern oder den Zylinderkopf zu bohren. Das Loch führt zur hinteren Feldplatte. Mehrere Evakuierungslösungen sind möglich.
Wasserkühlung
Durch das Einbringen eines Ferrofluids in den Luftspalt wird der Wärmewiderstand gegenüber Luft verringert und die Wärme besser auf die vorderen Feldplatten und den zentralen Kern übertragen, der diesen dann abführt. Es ist eine Lösung, die bei Dynaudio und auf vielen Hochtönern wie Audax implementiert ist . Die Partikel sind etwa 10 nm groß und basieren auf Trifertetroxid (Fe 3 O 4 ). Dieses Material bremst auch die Bewegungen der Spule und verringert auch den Gesamtwirkungsgrad des Motors. Die zulässige Leistung hingegen springt nach oben und der Impedanzverlauf für die Hochtöner wird stark gedämpft, wodurch eine Filterung mit geringer möglicher Flankensteilheit geboten wird. Diese Lösung hat sich bei vielen Herstellern durchgesetzt.
Seitenbelüftung
Durch die Anordnung nicht zusammenhängender Rundmagnete um die Spule wird der Luftdurchlass nach außen erleichtert und somit die Temperatur gesenkt. Focal verwendet Multi-Magnete für seine High-End-Systeme.
Durch die Installation eines Zwischenraums zwischen der Schüssel und der Spinne, um die Luftzirkulation zu gewährleisten, wird die Spule wie bei der Stratos-Reihe von Triangle an ihrem vorderen Teil gekühlt.
Eine Flachmembran, die für die Wiedergabe aller Frequenzen verantwortlich ist, ist mit einem leitfähigen Film bedeckt, der mit einer Potentialdifferenz von mehreren Tausend Volt direkt gegenüber der Masse (ca. 5000 Volt) aufgeladen ist . Die Membran wird durch unbewegliche Leiter, die an jeder Seite der Membran befestigt sind, in Bewegung gesetzt. Diese Drähte werden vom Audiosignal durchquert, dessen Spannung von einem elektrischen Transformator angepasst wird , sie ziehen also die Membran statisch an oder stoßen sie ab. Da die Membran den gesamten Frequenzbereich wiedergibt, gibt es keine sogenannte Crossover- Verzerrung .
Ein Prototyp eines " ultradünnen und ultradünnen thermoakustischen " Lautsprechers , basierend auf einer Kohlenstoff-Nanoröhrchen- Struktur, die in eine sehr dünne (200 µm ) Folie aus Polyethylenterephthalat (PET) mit einer leitfähigen Schicht eingearbeitet ist Februar 2010. Es wird durch eine Spannung aktiviert , die zwischen den beiden Seiten der Folie angelegt wird. Diese Spannung erwärmt sich plötzlich und dehnt Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus, wodurch ein Geräusch entsteht. Wenn das elektrische Signal aufhört, kehren die Nanoröhren in ihre vorherige Form und Position zurück. Die sehr schnelle Reaktionszeit von Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist kurz genug, um Frequenzen von 20 bis 20.000 Hz zu transkribieren , was der Wahrnehmung des menschlichen Ohrs entspricht. Die Nanocarbonfasern, die beim Einatmen oder Eindringen des Organismus gefährlich werden können, die Herstellung und das Ende der Lebensdauer dieses Lautsprechers könnten ein Problem darstellen, während diejenigen interessant sind, die die Hörgeräte noch miniaturisieren wollen. Die Tonintensität bleibt niedrig, aber wenn sie verbessert werden könnte, könnten ein Computerbildschirm, eine Tafel oder eine Tapete zu Lautsprechern werden.
Grundsätzlich gibt es vier Arten von Lautsprechern:
Dieser Klassifizierung können zwei spezifische Typen hinzugefügt werden:
Diese Unterteilungen sind dennoch künstlich.
Ein Lautsprecher hat mehrere technische Eigenschaften, die je nach Verwendungszweck berücksichtigt werden müssen:
Die echte Ausnutzung der Eigenschaften eines Qualitätslautsprechers (für High Fidelity, Beschallung und andere professionelle Anwendungen) erfordert die Parameter von Thiele und Small.