Die Welt, in der wir leben, ist auf Klang eingestellt. Wenn Sie nicht gerade auf dem Gipfel eines Berges leben (Sie haben Glück), ist es sehr wahrscheinlich, dass Sie im Laufe Ihres Tages Geräusche aus einer Vielzahl von Lautsprechern hören.
Handys. Fernsehapparate. Fahrstühle. Der Bluetooth-Lautsprecher in der U-Bahn, der Mist abspielt, den man nicht hören will.
Und was für uns Musiker vielleicht am wichtigsten ist: Lautsprecher ermöglichen es uns, unsere Arbeit in unverfälschtem Detail zu hören.
Aber wie funktionieren Lautsprecher genau? Auch wenn Sie nicht neugierig darauf sind, wie die Klangwurst gemacht wird, ist es gut, ein Grundverständnis der Lautsprechertechnik zu haben, wenn Sie vorhaben, Ihr Leben in einem Studio zu verbringen.
Grundlagen des Klangs
Bevor wir uns mit den Lautsprechern befassen, sollten wir kurz auffrischen, wie der Klang selbst funktioniert.
Schall ist im Wesentlichen mechanische Energie in Form von Wellen, die sich durch ein Medium - sei es Luft, Flüssigkeit oder Festkörper - bewegen.
Diese Bewegung führt zu lokalen Druckänderungen entsprechend der Wellenform, ähnlich wie die Wellen, die entstehen, wenn Sie einen Kieselstein (oder Ihr Telefon) ins Wasser fallen lassen.
In der Abbildung unten sehen Sie eine 1-kHz-Sinuswelle. Sehen Sie, wie der Schalldruckpegel im Verhältnis zum Umgebungsdruck zunächst ansteigt und dann wieder abfällt? Das ist Schall in Bewegung.
Im Inneren unserer Ohren reagieren Tausende von winzigen Haarzellen auf diese Druckveränderungen und wandeln sie in ein elektrisches Signal um, das unser Gehirn als Nickelback interpretieren kann. Oder was auch immer.
Ein analoges Audiosignal ist Klang in Form von elektrischer Energie, dargestellt als Spannungswellenform. Hier ist die gleiche Schallwelle als elektrisches Signal dargestellt:
Digitales Audio ist eine Darstellung eines gespeicherten analogen Signals im Binärformat.
Ein analoges oder digitales Audiosignal muss in eine Schallwelle (mechanische Energie) zurückverwandelt werden, damit unsere Ohren es wahrnehmen können.
Geben Sie den Sprecher ein.
Die Funktionsweise von Lautsprechern: Die Grundlagen
Bevor wir uns mit den Lautsprecherkomponenten und ihrer Funktionsweise befassen, sollten wir uns einen kurzen Überblick darüber verschaffen, wie ein Lautsprecher den Klang wiedergibt.
Ein verstärktes Audiosignal wird an eine Metallspule aus Draht gesendet. Diese Spule reagiert auf den durch sie fließenden elektrischen Strom, interagiert mit einem Magneten im Inneren des Lautsprechers und versetzt eine Membran in Schwingung.
Die Membran bewegt Luft und erzeugt so Schallwellen, die eine exakte Kopie des ursprünglichen Audiosignals sind. Et voila! Sie können Ihre Mutter am anderen Ende des Landes mit Ihnen sprechen hören.
Natürlich ist das eine starke Vereinfachung. Aber da wir nun wissen, wie die Redner ihre Arbeit machen, können wir die Dinge aufschlüsseln.
Was steckt in einem Lautsprecher?
Werfen wir einen Blick auf alle Teile des Lautsprechers, die den Zauber ausmachen...
Der Lautsprechertreiber
Der Lautsprechertreiber ist für die Umwandlung des elektrischen Signals in Schallwellen verantwortlich. Er ist der Motor, der die Klangwiedergabe des Lautsprechers antreibt.
Von innen nach außen betrachtet sind die Komponenten, aus denen ein Lautsprecher besteht:
- Pfahl
- Hintere Platte
- Magnet
- Obere Platte
- Schwingspule
- Korb
- Spinne
- Konus und Sicke
- Staubkappe
Stange, Rückseite und obere Platte
Der Polschuh in einem Lautsprecher ist wie ein Dirigentenstab, der das Orchester des Klangs, der durch den Lautsprecher fließt, synchron hält. Er ist die zentrale Achse, um die das gesamte Magnetsystem aufgebaut ist.
Die hintere Platte sitzt hinter der Stange, und es überrascht nicht, dass die obere Platte darüber sitzt.
Magnet
Der Permanentmagnet ist von den Polen und Platten umgeben, um sein Magnetfeld zu bündeln, und ist am Lautsprecherkorb befestigt.
Er wird als Permanentmagnet bezeichnet, weil er immer ein Magnet ist.
Die Schwingspule hingegen wird erst dann zum Magneten (oder genauer gesagt zum Elektromagneten), wenn sie mit elektrischem Strom versorgt wird.
Schwingspule
Die Schwingspule ist ein Draht, der eng um einen winzigen Zylinder gewickelt ist, der manchmal auch Spule genannt wird. Sie sieht ein bisschen aus wie ein Jo-Jo.
Wenn ein elektrisches Signal durch die Spule fließt, wird sie zu einem Elektromagneten, der mit dem Permanentmagneten interagiert.
Wenn Sie sich an Ihren naturwissenschaftlichen Unterricht erinnern, wissen Sie, dass sich gleiche Kräfte abstoßen und entgegengesetzte Kräfte anziehen. Dieses Zusammenspiel von magnetischen Kräften erzeugt die Bewegung, die die Spule umherschiebt und schließlich Schallwellen erzeugt.
Spinne und Einfassung
Die Spinne ist ein gewelltes Stück Material, das die Schwingspule trägt. Sie hält die Spule an ihrem Platz, während sie sich frei hin und her bewegen kann.
Das klingt zwar wie ein Widerspruch, ist es aber nicht. Die Hauptaufgabe der Spinne besteht darin, dass sich die Schwingspule nur in eine Richtung bewegen kann, nämlich nach oben und unten. Ohne die Spinne würde die Schwingspule unkontrolliert im Lautsprechergehäuse umherschwirren.
Die Einfassung hat eine ähnliche Funktion wie die Spinne, nur dass sie den Kegel oben im Korb festhält.
Der Kegel
Die Lautsprechermembran, die auch als Membran bezeichnet wird, ist eines der wenigen Teile, die man bei einem Lautsprecher sehen kann.
Der Konus bewegt sich als Reaktion auf die magnetischen Impulse der Schwingspule hin und her. Die Bewegung der Membran erzeugt Druckwellen in der sie umgebenden Luft, die die Töne erzeugen, die Sie hören.
Staubkappe
Dieser kleine Kerl verhindert, dass Staub und Schmutzpartikel in die Lautsprechereinheit gelangen und alles durcheinander bringen.
Korb
Ist nur eine schicke Bezeichnung für das Gehäuse, das alle Lautsprecherteile zusammenhält. Es sieht tatsächlich ein bisschen wie ein Korb aus.
Das ist also alles, was einen eigentlichen Sprecher ausmacht. Aber wenn wir in der Alltagssprache von Sprechern sprechen, meinen wir das ganze Drumherum.
Was braucht es also noch, damit Lautsprecher funktionieren?
Elektrische Komponenten
Um die Schwingspule mit deiner Marmelade zum Pumpen zu bringen, musst du ihr ein elektrisches Signal senden. Dies geschieht mit Lautsprecherklemmen und einem geflochtenen Draht.
Bei den Anschlüssen handelt es sich um Metalllaschen oder Anschlussöffnungen, die ein Audiokabel mit dem Lautsprecher verbinden.
An diese Klemmen ist der geflochtene Draht angeschlossen, der mit der Schwingspule verbunden ist und ihr die nötige Energie liefert.
Gehäuse
Ein Lautsprecher benötigt aus mehreren Gründen ein Gehäuse, das oft als Box bezeichnet wird, um richtig zu funktionieren.
Erstens bietet sie eine geschlossene Umgebung, um die verschiedenen Komponenten des Treibers vor Staub, Schmutz und Hundehaaren zu schützen.
Zweitens wird die Phasenauslöschung gemildert. Wenn sich eine Lautsprechermembran bewegt, erzeugt sie Schallwellen in beide Richtungen. Ohne das Gehäuse würden sich diese Wellen gegenseitig auslöschen.
Schließlich beeinflusst das Gehäuse, wie der Schall verteilt wird. Der Schall kann in eine bestimmte Richtung gelenkt werden, und die tiefen Frequenzen können richtig abgestimmt werden.
Das Gehäuse besteht aus einem dicken Material, das nicht sehr biegsam ist. Üblich sind Holz oder MDF mittlerer Dichte, aber auch Kunststoff wird verwendet.
Amplifikation
All das ist schön und gut, aber ein Lautsprecher allein wird nichts Nützliches von sich geben.
Obwohl es Lautsprecher in verschiedenen Formen und Größen gibt, haben sie alle die gleiche Anforderung: ein Audiosignal, das stärker ist als das Line-Level-Signal, das von Wiedergabegeräten wie einem Fernseher oder einem Audio-Interface gesendet wird.
Ein Leistungsverstärker wird verwendet, um das Signal von Leitungspegel auf Lautsprecherpegel zu verstärken. Je nach Ihren Lautsprechern kann dies ein externes Gerät sein oder in das Lautsprechergehäuse selbst eingebaut werden.
Aktiv-Lautsprecher
Aktivlautsprecher haben einen eingebauten Verstärker Die Yamaha HS5 sind beliebte Aktivlautsprecher für die Studioüberwachung.
Passiv-Lautsprecher
Passive Lautsprecher benötigen einen externen Leistungsverstärker, um aus dem Audiosignal Schallwellen zu erzeugen.
Der JBL PRX412 ist ein robustes Beispiel für einen passiven Lautsprecher, der eine externe Endstufe benötigt, um ihm genügend Rauschkraft zu verleihen.
Wie produzieren Lautsprecher unterschiedliche Frequenzen?
Bisher haben wir uns angesehen, wie Lautsprecher elektrische Energie (ein Signal) in Druckwellen in der Luft und damit in Schall umwandeln.
Aber nicht alle Frequenzen sind gleich, und ein einziger Lautsprecher, der versucht, alle Bereiche abzudecken (entschuldigen Sie das Wortspiel), ist in der Tat schlecht.
Aus diesem Grund sieht man bei Gigs riesige Stapel von Lautsprechern. Einige decken die Bassfrequenzen ab (die Subwoofer und Tieftöner), andere den Mitteltonbereich, und die kleinen Hochtöner kümmern sich um alle hohen Frequenzbereiche.
Diese Lautsprecher sind alle unterschiedlich konstruiert, um die verschiedenen Frequenzen zu verarbeiten, für die sie zuständig sind.
Aber nicht jeder möchte einen riesigen Stapel Lautsprecher in seinem Studio (oder Wohnzimmer) stehen haben, ganz zu schweigen von dem Wirrwarr an Endstufen und Frequenzweichen.
Hier kommt der Multi-Driver-Lautsprecher ins Spiel.
Multi-Driver-Lautsprecher
Lautsprecher mit mehreren Treibern verwenden 2, 3 oder sogar 4 Treiber unterschiedlicher Größe, um verschiedene Frequenzen zu übertragen. Am gebräuchlichsten ist der Lautsprecher mit zwei Treibern, der manchmal auch als 2-Wege-Lautsprecher bezeichnet wird.
Im Inneren eines 2-Wege-Lautsprechers befindet sich eine Frequenzweiche, die alle hohen Frequenzen an den Hochtöner und die mittleren und tiefen Frequenzen über einen Hoch- und Tiefpassfilter an den Tieftöner leitet.
Die Verwendung einer Frequenzweiche bedeutet, dass der Lautsprecher den gesamten Frequenzbereich abdeckt und dabei eine Klangqualität beibehält, die ein einzelner Treiber allein nicht erreichen könnte.
Wenn Sie in Ihrem Heimstudio Musik machen, werden Sie wahrscheinlich einen 2-Wege-Lautsprecher für das Monitoring verwenden, wie den oben erwähnten Yamaha HS5 oder den unten abgebildeten KRK Rokit 5 G4.
Dual-Driver-Lautsprecher sind für die Aufnahme und das Abmischen in Ihrem eigenen Studio gut geeignet. Aber wenn es um das Mastering geht (egal, ob Sie einen Online-Dienst wie eMastered nutzen oder eine Person damit beauftragen), benötigen Sie etwas mehr Details, sodass Sie mit 3- oder 4-Wege-Lautsprechern besser bedient sind.
Das Gleiche gilt für kommerzielle Aufnahmestudios. Sie verwenden vielleicht ein Paar aktive Monitorlautsprecher für die Aufnahme und das Monitoring, aber wenn es um den Mixdown geht, schalten sie die bösen Jungs ein.
Was ist die Lautsprecherimpedanz?
Die Lautsprecherimpedanz ist im Wesentlichen ein Maß für den Gesamtwiderstand des Stromflusses im Lautsprecher.
Die in Ohm gemessene Impedanz ergibt sich sowohl aus dem Widerstand des Schwingspulendrahtes als auch aus der Induktivität, die durch die Wicklung dieses Drahtes zu einer Spule entsteht. Die Induktivität unterscheidet sich vom Widerstand, da sie sich mit der Frequenz ändert - sie wird als induktiver Blindwiderstand bezeichnet.
Aufgrund dieser Variable unterscheidet sich die Impedanz vom "normalen" Widerstand und wird mit einer komplizierten Formel berechnet, die Musiker niemals verstehen sollten.
Stattdessen sollten Sie wissen, dass die Impedanz Ihrer Lautsprecher und Ihres Verstärkers aufeinander abgestimmt sein muss. Eine nicht angepasste Impedanz kann zu verminderter Audioqualität, Überhitzung und im Extremfall zu Schäden an den Geräten führen.
Denkt daran, Kinder, dass ihr eure Lautsprecher immer mit kompatiblen Verstärkern koppelt.
Lautsprecherleistung vs. Lautsprecherempfindlichkeit
Größer ist gleich besser, oder?
Nicht immer. Die meisten Leute, die Lautsprecher vergleichen, verbinden eine höhere Nennleistung (in Watt) mit einer höheren Lautstärke. Aber werden Sie in der Praxis in der Lage sein, diese Leistung voll auszunutzen?
Ein besserer Weg, Lautsprecher zu vergleichen, ist die Betrachtung der Lautsprecherempfindlichkeit. Diese wird in Dezibel gemessen und gibt an, wie effektiv ein Lautsprecher die elektrische Leistung in Schall umwandelt.
Eine höhere Empfindlichkeitsstufe bedeutet, dass ein Lautsprecher mit einer bestimmten Leistung mehr Schall erzeugen kann. Mit anderen Worten: Er ist effizienter bei der Umwandlung von Strom in Schallwellen.
Die Messung der Empfindlichkeit von Lautsprechern ebnet das Spielfeld, wenn es darum geht, die Effizienz und Leistung von Lautsprechern zu vergleichen.
Dennoch ist es wichtig, die Belastbarkeit eines Lautsprechers zu berücksichtigen, wenn Sie einen externen Verstärker verwenden. Die Messung gibt an, wie viel elektrische Leistung der Lautsprecher verkraften kann, ohne beschädigt zu werden. Daher ist es wichtig, dass die Ausgangsleistung des Verstärkers der des Lautsprechers entspricht.
Ob Sie sich für Lautsprecher mit hoher oder niedriger Empfindlichkeit entscheiden, hängt von den Anforderungen Ihrer Anlage ab. Wenn die Energieeffizienz wichtig ist (z. B. bei tragbaren Lautsprechern oder Auto-Stereoanlagen), ist eine hohe Empfindlichkeit am besten, wohingegen Sie bei einer professionellen Audioeinrichtung möglicherweise Lautsprecher mit einer höheren Leistungskapazität benötigen.
Frequenzgang
Wenn wir über den Frequenzgang eines Lautsprechers sprechen, meinen wir damit seine Fähigkeit, den Klang über einen bestimmten Frequenzbereich wiederzugeben.
Kein Lautsprecher ist perfekt, daher hilft uns ein Frequenzgangdiagramm dabei, zu erkennen, wo es Spitzen oder Täler in den Frequenzen gibt, in denen der Lautsprecher über- oder unterdurchschnittlich ist.
Es gibt eine Reihe von Gründen, warum der Frequenzgang eines bestimmten Lautsprechers oder bestimmter Lautsprecher wichtig ist.
Erstens hilft es bei der Planung eines Systems mit mehreren Lautsprechern und bei der Festlegung der Frequenzweichen.
Zweitens hilft es bei der Auswahl der besten Lautsprecher für die jeweilige Aufgabe, die Sie im Sinn haben.
Während viele Consumer-Lautsprecher einen leichten "Schmunzler" im Frequenzgang haben, um den Klang zu verfeinern, wollen Sie als Musikproduzent ein Lautsprecherpaar mit einem flachen Frequenzgang.
Auf diese Weise werden keine Instrumente oder Samples durch einen Einbruch der erzeugten Frequenzen verdeckt oder klingen aufgrund einer Spitze im Diagramm lauter als sie tatsächlich sind.
Ein flacher Frequenzgang bei Lautsprechern sorgt dafür, dass alles, was Sie hören, der Realität so nahe wie möglich kommt.
Was ist mit Kopfhörern?
Kopfhörer verwenden die gleiche Treibertechnologie wie Lautsprecher. Es handelt sich um winzig kleine Lautsprecher, die über (oder in) den Ohren sitzen.
Wie funktionieren Stereo-Lautsprecher?
Ein einzelner Lautsprecher überträgt den Ton (im Allgemeinen) in Mono. Um ein Stereoklangfeld zu erhalten, benötigen Sie zwei Monolautsprecher, die das linke bzw. rechte Audiosignal in geeigneter Weise ableiten.
Aber haben Sie sich jemals eine Soundbar angesehen und sich gefragt, wie das Stereofeld erzeugt wird?
Einzelne Lautsprechereinheiten, die ein Stereobild erzeugen sollen, verfügen über mehrere Lautsprecher, die in der Einheit verteilt sind.
Das Stereosignal wird in einen linken und einen rechten Kanal aufgeteilt und in unterschiedlichen Mengen an jeden Treiber gesendet, um ein vollständiges Stereobild zu erhalten.
Solche Lautsprecher werden in der Regel mit einem zusätzlichen Lautsprecher - einem Subwoofer - geliefert, der für die tiefen Frequenzen und Batmans Stimme zuständig ist.
Wer hat den Lautsprecher erfunden?
Wie bei vielen Erfindungen um die Jahrhundertwende zum 20. Jahrhundert ist es schwierig, genau zu bestimmen, wer den Lautsprecher erfunden hat. Er entstand im Laufe der Zeit, als Wissenschaftler und Erfinder begannen, mehr über Schallwellen und elektrischen Strom zu verstehen.
Alexander Graham Bell (der berühmte Erfinder des Telefons) leistete bedeutende Beiträge zur Tontechnik, darunter die Entwicklung einer frühen Version des Lautsprechers Ende des 19.
Gleich am Ende dieses Jahrhunderts entwickelte Oliver Lodge den ersten Lautsprecher mit beweglicher Spule. Im Jahr 1915 erhielten der dänische Ingenieur Peter L. Jensen und Edward Pridham ein Patent für ihre Erfindung eines elektrodynamischen Lautsprechers, bei dem eine Drahtspule an einer in einem Magnetfeld befindlichen Membran befestigt ist.
Auf der anderen Seite des großen Teichs entwarfen Edward W. Kellogg und Chester W. Rice 1925 einen dynamischen Lautsprecher mit Konus, der schließlich an RCA lizenziert wurde. Dieser Entwurf enthielt viele Aspekte, die als Grundlage für die moderne Lautsprechertechnologie gelten.
Es braucht ein Dorf und so weiter. Es genügt zu sagen, dass viele Kegelköpfe unzählige kopfzerbrechende Stunden investiert haben, um sicherzustellen, dass Sie heute Nickelback-Konzerte in voller Klangtreue genießen können.
Die Zukunft der Redner
Die Technik wird immer kleiner und billiger. Das wissen wir alle. Aber bei den Lautsprechern haben sich die Grundlagen der Technologie seit ihrer Erfindung nicht viel verändert.
Tatsächlich sind Lautsprecher eine der ineffizientesten Technologien, die wir heute verwenden. Mehr als 99 % der Energie, die in einen Lautsprecher fließt, wird für etwas anderes als den Klang verwendet. Das meiste davon wird in Wärme umgewandelt.
Es ist irgendwie überraschend, dass die EPA die Verwendung von Lautsprechern aufgrund ihrer schlechten Energieleistung noch nicht verboten hat.
Doch dank eines neuen Materials, das 2004 entdeckt wurde, könnten die Lautsprecher der Zukunft anders sein.
Graphen ist ein extrem leichtes Material, was bedeutet, dass es viel weniger Energie benötigt, um sich hin und her zu bewegen und eine Druckwelle zu erzeugen. Gute Nachrichten für Hochtöner.
Wenn es den Wissenschaftlern gelingt, Graphen in großem Maßstab zu produzieren und in kommerzielle Anwendungen zu integrieren, könnten die Lautsprecher der Zukunft leichter und wesentlich energieeffizienter sein.
Bis dahin müssen wir uns mit Mini-Heizungen begnügen, die aufgrund von elektrischen Signalen Luftdruckänderungen erzeugen, auch bekannt als Lautsprecher.
Nun geht hinaus und hört der Musik zu!
