Verschiedenes

Der dynamische Lautsprecher im Wandel

Es gibt scheinbar viele verschiedene Prinzipien der Schallerzeugung bei Lautsprechern:

  1. Konuslautsprecher (vor allem für den Bass- und Mitteltonbereich)
  2. Bändchenlautsprecher (vor allem für den Mittel- und Hochtonbereich)
  3. Hornlautsprecher (vor allem für den Mittel- und Hochtonbereich)
  4. Kalottenlautsprecher (für den Mittel- und Hochtonbereich)
  5. Magnetostatische oder isodynamische Lautsprecher (vor allem für den Mittel- und Hochtonbereich)
  6. Air Motion Transformer (vor allem für den Mittel- und Hochtonbereich)
  7. Biegewellenstrahler (z.B. Manger, Ohm/German Physics und MBL)
  8. Piezoelektrische Lautsprecher (vor allem für den Hochtonbereich)
  9. Elektrostatische Lautsprecher (vor allem für den Mittel- und Hochtonbereich)
  10. Plasmalautsprecher (vor allem für den Hochtonbereich

Hier werden aber Antriebs- und Abstrahl- Prinzipien vermengt. Die Lautsprechertypen 1 bis 7 werden in der Regel alle elektrodynamisch angetrieben, nur die Prinzipien 8 bis 10 funktionieren wirklich grundlegend anders und stellen zusammengenommen nur einen verschwindend geringen Teil aller produzierten Lautsprecherchassis.

Da stellt sich die Frage: was macht das elektrodynamische Prinzip so erfolgreich? Dazu gucken wir uns zunächst mal einen konventionellen elektrodynamischen Konus-Lautsprecher an:

 

Konuslautsprecher

Um das Antriebsprinzip zu verstehen gehen wir mit der Lupe in den Bereich des Luftspalts:

Für die resultierende Bewegungsrichtung aufgrund der Lorentzkraft gilt die Rechte-Hand- oder 3-Finger-Regel (s. Wikipedia), bei der Daumen, Zeige- und Mittelfinder in die 3 Raumrichtungen zeigen:

 

  • wenn der Daumen der rechten Hand in Stromrichtung I zeigt
  • und der ausgestreckte Zeigefinder der rechten Hand in Richtung der Magnetfeldlinien B
  • dann zeigt der Mittelfinger (90° zum Zeigefinder) der rechten Hand in Richtung der resultierenden Kraft F (Lorentzkraft)
Der oben gezeigte Aufbau ist relativ einfach und die Komponenten (ein isolierter Leiter wird z.B. auf einen runden Körper gewickelt; ein Magnet mit Luftspalt) werden in vielen Bereichen der Technik benötigt. Mit relativ kleinen Antrieben kann man relativ große Membranen antreiben, die durch die Konusform versteift werden, so dass sie sich als Starrkörper bewegen ohne in Teilschwingungen zu zerfallen. Es sind relativ einfach relativ große Auslenkungen möglich, so dass dieses Antriebsprinzip vor allem zur Wiedergabe tiefer und mittlerer Tönen große prinzipielle Vorteile aufweist. Durch Änderungen des Leiterdurchmessers kann die Impedanz der so genannten Schwingspule recht einfach verändert und dem Einsatzzweck angepasst werden.

Bei Röhrenverstärkern waren sehr hochohmige Schwingspulen gefragt, wenn man ohne Ausgangsübertrager auskommen wollte, da die Endstufenröhren nur einen geringen Strom aber viel Spannung produzieren konnten. Mit dem Aufkommen von Transistorverstärkern konnten höhere Ströme erzeugt werden, dafür war das Spannungsniveau nicht mehr so hoch und damit weniger gefährlich. Beim Lautsprecher musste nur der Drahtquerschnitt erhöht werden und schon klappt alles wie vorher.

Die prinzipiellen Nachteile des dynamischen Konus-Lautsprechers war, dass die Membran bei höheren Frequenzen nicht mehr steif genug war und in Teilschwingungen aufbrach. Dies konnte man zwar durch eine spezielle Form der Membran, die so genannte NAWI-Membran (= Nicht AbWIckelbare Membran), eine Verkleinerung der Membran bzw. Vergrößerung der Antriebsfläche verbessern, jedoch nie grundlegend vermeiden.

Bei hohen Frequenzen erfolgt die Schallabstrahlung vorwiegend nach vorne, zur Seite wird deutlich weniger abgestrahlt. Dieser Effekt kann vor allem durch Verkleinerung der Membrane zu höheren Frequenzen verschoben werden. Da das Schwingsystem nicht beliebig verkleinert werden konnte waren dem allerdings enge Grenzen gesetzt.

Bändchenlautsprecher

Daher sann man nach einem anderen Antriebsprinzip, bei dem es keine Membrane im eigentlichen Sinne mehr gab sondern bei dem die Membrane und der stromdurchflossene Leiter identisch waren. Der stromdurchflossene Leiter (z.B. Alufolie) wurde im Luftspalt eines Magneten platziert.

Das eigentlich geniale Prinzip hatte aber so seine Problemchen:

 

  • der Leiter bzw. die Membrane muss frei schwingen können, darf also nicht den Magneten berühren. Der entstehende Spalt zwischen Magnet und Membrane muss deutlich schmaler als die Membranbreite sein, ansonsten gibt es einen akustischen Kurzschluss und es findet keine nennenswerte Schallabstrahlung statt
  • dadurch muss der Luftspalt relativ breit sein, wodurch die Feldstärke relativ klein ist. Dies kann nur durch einen großen Magneten kompensiert werden - was leider sehr teuer ist
  • der Widerstand des Leiters ist sehr gering (ca. 0.1 Ohm) und muss über einen Transformator auf verstärkerfreundliche Werte von 4 bis 8 Ohm angehoben werden - was leider zusätzliche Kosten verursacht
Das Prinzip lässt sich mit überschaubaren Kosten nur im Hochtonbereich realisieren und ist selbst da SEHR viel teurer als ein Konushochtöner. Durch die sehr geringe schwingende Masse ist allerdings eine hohe obere Grenzfrequenz ohne Resonanzerscheinungen möglich. Dafür "schwächelt" das Bändchen in der Disziplin Klirrfaktor am unteren Ende des Übertragungsbereiches, weil es einfach extrem teuer ist eine homogenes Magnetfeld in dem breiten Luftspalt zu erzeugen.

Seit einiger Zeit sind Bändchenhochtöner wieder auf dem Vormarsch (AUDAPHON, CANTARE, DYNAVOX, FOUNTEK, HARDWOOD ACOUSTICS oder wie sie alle heißen). In China scheint ein intensiver Materialeinsatz in Form von Magneten und Übertragern noch bezahlbar zu sein . . .

 

Kalottenlautprecher

Beim Versuch den Konushochtöner möglichst klein zu machen ließ man die Membran außerhalb der Schwingeinheit einfach weg und beulte die Membran innerhalb der Schwingeinheit nach außen aus, so dass sie wie eine abgetrennte Spitze eines Frühstückseis aussah. In der Geometrie heißt eine solche Form Kalotte. Am Antriebsprinzip hat sich aber gegenüber dem Konuslautsprecher nichts Wesentliches geändert, es gibt nach wie vor einen Magneten, eine Schwingspule und eine Sicke. Eine Membrane in Kalottenform benötigt eine relativ große Schwingspule und damit relativ große Magnete - und das ist teuer. Daher hat sich das Prinzip vor allem im Hochtonbereich durchgesetzt, dort ist die "Standardgröße" ein Schwingspulendurchmesser von 25 bzw. 28 mm. Es gibt aber auch Mitteltonkalotten mit 50 und sogar 75 mm Schwingspulendurchmesser, die aber wiederum einen gravierenden Kostennachteil gegenüber ähnlich großen Konuschassis haben.

Ein grundlegendes Problem von Kalottenlautsprechern ist, dass er nur am Rand angetrieben wird und die für den Hochtonbereich so wichtige Membranmitte kaum kontrolliert werden kann. Diese hat bei einigen tausend Schwingungen pro Sekunden (= einige kHz) nämlich keine Lust mehr dem Antriebssignal zu folgen und bleibt entweder "stehen" oder schwingt sogar gegenphasig - mit negativen Auswirkungen auf den Frequenzgang. Um dieses grundlegende Problem zu lindern gibt es 3 prinzipielle Wege:

 

  1. man verwendet ein hochdämpfendes Membranmaterial wie dämpfend beschichteten Stoff oder hochdämpfenden Kunststoff (z.B. Sypronyl)
  2. man macht die Kalotte extrem steif (z.B. Aluminium, Titan, Keramik etc.) und verschiebt die Probleme damit zu (unhörbar?) hohen Frequenzen > 20 kHz
  3. man lässt die Membranmitte einfach weg (Beispiel von VIFA) bzw. fixiert sie (Beispiel von SB-Acoustics)

Bei den extrem steifen Kalotten streiten sich die Gelehrten, ob das den Klang durch z.B. Intermodulation nicht doch stört, außerdem sind Diffusoren vor dem Membranmitte nötig. Die Kalotten mit fixierter Mitte sind quasi Ringstrahler und haben dadurch Probleme mit deutlich reduzierter seitlicher Schallabstrahlung - es gibt halt nix geschenkt im Leben . . .

Trotzdem bleibt festzuhalten, dass die Kalottenhochtöner trotz relativ einfachem Aufbaus relativ gut funktionieren. Besonders seit der Verfügbarkeit von kleinen, leichten, starken und preiswerten Neodymmagneten lassen sich kleine, leichte Kalottenhochtöner fertigen, die heute den Massenmarkt dominieren.

 

Magnetostatische oder isodynamische Lautsprecher

Die ideale Schallquelle würde sich auf der ganzen Fläche gleichmäßig wie ein unendlich steifer Kolben bewegen. Dafür wäre nicht ein punkt- oder ringförmiger sondern ein flächiger Antrieb nötig. Das hatte man beim Bändchen ja schon probiert, aber: geht das nicht auch preiswerter? Wenn man Paare von Magneten hinter der Membran so anordnet, dass das Magnetfeld in der Membranebene verläuft dann würde sich eine stromdurchflossene Membran gemäß der Rechte-Hand-Regel nach vorne bzw. hinten bewegen. Das Magnetfeld könnte man durch abwechselnd ausgerichtete Magneten so "verbiegen", dass es näherungsweise in der Membranebene verläuft. Durch die Verfügbarkeit von kleinen, starken Magneten in Stabform war zumindest der Antrieb relativ einfach möglich. Nun musste man nur noch den teuren Übertrager "wegrationalisieren".

Da kamen wiederum Entwicklungen aus der Computertechnik zur Hilfe. Dort wurden dünne Leiterbahnen auf dünne Kunststofffolien aufgedampft, um bewegliche Teile mit Strom bzw. Daten zu versorgen (z.B. Leseköpfe von Festplatten). Wenn man die Leiterbahnen nur dünn und lang genug machte und geschickt führte könnte man eine Membrane mit einem Widerstand von 4 oder 8 Ohm herstellen - der isodynamische Lautsprecher war geboren. Da der Aufbau dem elektrostatischen Lautsprecher ähnelte wurde er auch magnetostatischer Lautsprecher genannt:

Der Trägerfolie kommt eine schwierige Aufgabe zu: sie muss flexibel genug sein um die vom Antrieb erzwungene Bewegung möglichst linear umzusetzen und sie muss mechanisch und vor allem thermisch belastbar genug sein. Frühe, bekannte Vertreter dieser Gattung waren z.B. der VISATON RTH13AW und der FOSTEX FS21RP, die beide in unserer ersten Aktiv-Referenzbox Verwendung fanden.

Sobald sich die Membran bewegt ändert sich beim obigen Prinzip leider das Magnetfeld - dies führt zu starken nichtlinearen Verzerrungen. Wenn man die Magneten aber auf beiden Seiten anbringt kann man den Antrieb deutlich linearer aufbauen. Dank modernen Neodymmagneten lässt sich so etwas heute recht preiswert und kompakt (= hoher "Lochanteil" für ungestörte Schallausbreitung) aufbauen, so dass magnetostatische Hochtöner heute recht verbreitet sind. Es gibt sogar Magnetostaten für den Mitteltonbereich (z.B. BOHLENDER & GRAEBENER Neo8). Die Firma MAGNEPAN hat bereits in den 70er Jahren Vollbereichs-Magnetostaten produziert.

 

Air-Motion-Transformer (kurz: AMT)

Ebenfalls schon ein alter Hut sind Schallwandler nach dem Air-Motion-Prinzip, das sich der deutsch stämmige Physiker Dr. Oskar Heil bereits 1969 patentieren ließ und welches in den 70er Jahren von der amerikanischen Firma ESS vermarktet wurde. Zu dem Zeitpunkt war der gravierende Nachteil besonders von magnetostatischen Hochtönern, dass die Membran von den großen Magneten weitgehend verdeckt wurde. Demgegenüber kommt der AMT (wie das Bändchen) mit starken seitlichen Magneten aus, kann durch die "andersartige" Anordnung aber trotzdem kleinere Luftspalte und damit höhere Wirkungsgrade realisieren. Das war nötig, da es zu dem Zeitpunkt noch keine so temperaturfesten Kunststofffolien gab, denn die Membran sollte schon - ähnlich wie beim Magnetostaten - aus einer Kunststofffolie mit aufgedampften Leiterbahnen bestehen. Nur: wie schaffte es Dr. Oskar Heil, dass die Membrane trotz seitlichem Magnet nach vorne und hinten schwingt - was gemäß der Rechte-Hand-Regel unmöglich ist? Er schaffte es nicht - weil es gar nicht nötig war: nicht die Membran muss nach vorne oder hinten schwingen, sondern die Luft! Indem er die Membrane ziehharmonikaartig faltete erreichte er, dass eine Querbewegung des Leiters zu einer Vorne/Hinten-Bewegung der Luft wurde. Tja, manchmal muss man halt auch mal um die Ecke denken damit es etwas wird . . .

Und so sieht das im Prinzip aus:

Vor der Membran sind jetzt nicht mehr die (damals noch voluminösen) Magnete sondern nur noch die deutlich filigraner ausführbaren Polpatten, die den magnetischen Kreis schließen. Das Magnetfeld liegt bilderbuchmäßig senkrecht zur Chassisebene und ist perfekt homogen und linear, obwohl letzteres gar nicht nötig wäre, denn die Leiter bewegen sich ja nur in Querrichtung. Auch die Membrane kann sich zumindest in Querrichtung schön frei bewegen, die Falten Der Ziehharmonika müssen nur oben und unten am Rahmen befestigt sein. Durch den Ziehharmonikaeffekt wird eine Querauslenkung von 0.1 mm in eine Faltentiefe/Faltenbreite · stärke Luftauslenkung transformiert. Das prädestiniert den AMT besonders für Chassis mit hohem Wirkungsgrad. Seit einigen Jahren findet er daher zunehmend auch in hochwertigen PA-Systemen Verwendung (z.B. BEYMA TPL-150 oder MUNDORF Holographic Sound Devices).

 

Fazit:

Wie man es auch dreht und wendet: der dynamische Lautsprecher ist ein Erfolgsmodell. Im Bassbereich ist das Prinzip fast ohne Konkurrenz und auch im Mitteltonbereich gibt es kaum Alternativen - schon gar nicht beim Preis-/Leistungsverhältnis. Lediglich im Hochtonbereich buhlen Konus, Kalotte, Bändchen, Magnetostat und AMT um die Gunst des Kunden. Vom Produktionsvolumen haben Konus im Consumer- und Kalotte im HiFi-Bereich die Nase ganz klar vorne. Bändchen, Magnetostat und AMT haben ihre speziellen Vor- und Nachteile. Ihnen kommt die momentane Einrichtungsmode entgegen - durch die in der Regel hohe, schlanke Membranform weisen sie eine Bündelung in der Vertikalen auf, die bei teppichlosem Fußboden hilft die in der Regel energiereichsten Reflexionen am Boden (und der Decke) zu reduzieren.

Die bei Konus und Kalotten prinzipbedingten Resonanzen am oberen Ende des Übertragungsbereichs sind ihnen weitgehend fremd. Durch preiswerte Chassis aus China (insbesondere Bändchen) und neue Materialien hat sich das Preis-/Leistungsverhältnis der "Exoten" deutlich verbessert, so dass es im Bereich zwischen 100 und 200 € keinen deutlichen Sieger gibt. Hier gilt es die jeweiligen prinzipbedingten Vor- und Nachteile sorgfältig abzuwägen. Spitzenreiter beim Preis sind momentan die AMTs, die erst ab 200 € anfangen. Dafür glänzen sie in der Regel mit hohem Wirkungsgrad und besonders geringen Verzerrungen.

Solange es keinen Plasma-Breitbänder gibt bleibt die Sache also spannend . . .

Kommentare  

# GJW 2010-05-18 02:13
Oskar Heil hat in Pasadena auch schon Breitband-Plasm a-Lautsprecher gebaut, aber neben dem Rauschen war der Gestank noch belastender ;-)
# Franky 2009-12-30 18:17
Der hier hört sich doch schon recht breitbandig an

http://www.youtube.com/watch?v=fRqj374cc2o

auch interessant was sich manche Leute zusammenbasteln

http://www.youtube.com/watch?v=oUHXEQyF7o0
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