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Grund - Sätze
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Je kleiner ein Lautsprecher ist, um so geringer
ist sein Wirkungsgrad im Baßbereich
Das gilt für alle „Mass controlled Systems"
wie geschlossene, Baßreflex und Transmissionsline
Gehäuse
Auch ein kleiner Lautsprecher kann sehr
tiefe Frequenzen abstrahlen, bedingt durch
den schlechten Wirkungsgrad allerdings
nicht sehr laut Ist der Lautsprecher sehr
klein und die untere Grenzfrequenz sehr
niedrig gewählt, so hegt selbst der mit voller
Verstarkerleistung zu erzielende Schalldruck
bei dieser Frequenz unter der Hörschwelle'
(ca 70 dB für 20 Hz) Ein
Konstruktionsfehler 1 " Selbst wenn dieser
Extremfall in der Praxis nicht anzutreffen
sein wird, gibt es Beispiele für mißlungene
Kompromisse genug Nur unter Einbeziehung
der frequenzabhangigen Horschwellenkurve
(Fletcher-Munson Kurve, oder
DIN 45630) ist die Suche nach dem optimalen
Kompromiß zwischen Belastbarkeit,
Referenzwirkungsgrad (des Lautsprechersystems
im Mitteltonbereich) Gehausegroße
und unterer Grenzfrequenz erfolgversprechend
Das Baßrefelexprinzip kann die Belastbarkeit
eines Lautsprechers erheblich steigern
Bei willkürlicher Wahl der Gehausegroße
oder falscher Abstimmung des Reflextunnels
geht dieser Effekt verloren, gleichzeitig
wird das Ausschwingverhalten hörbar
schlechter (Uberschwinger oder transient
nnging) als das des gleichen Lautsprechersystems
im geschlossenen Gehäuse Es gibt
für jedes Baßlautsprechersystem nur eine
optimale Reflexgehausegroße, diese sollte
vorher bekannt sein Die Berechnung ist
allerdings nicht ganz einfach, jedoch unerläßlich
um den Klang hochwertiger Systeme
nicht zu ruinieren (s Kap Baßreflexprinzip)
Auch mit einer geschlossenen Lautsprecherbox
kann man das teuerste Lautsprechersystem
ruinieren Wenn das Gehäuse
zu klein wird 1 Die Luftfedersteife des im
Gehäuse eingeschlossenen Luftvolumens
addiert sich zur Federsteife der Membranaufhangung,
dadurch wird die Resonanzfrequenz
des Lautsprechersystems aufgehoben
Mit höherer Grenzfrequenz (unterhalb
der Resonanzfrequenz wird kaum
noch Schall abgestrahlt) steigt auch der
Wirkungsgrad des Systems bei dieser Grenzfrequenz
an, wird das Gehäuse zu klein,
steigt der Wirkungsgrad bei tiefen Frequenzen
über den Referenzwirkungsgrad mit
dem die mittleren Frequenzen abgestrahlt
werden Die tiefen Tone im Bereich der
Resonanzfrequenz werden zu laut wiedergegeben,
gleichzeitig verschlechtert sich das
Ausschwingverhalten deutlich hörbar 1 Zwischen
dem Ausschwingverhalten eines Lautsprechers
und dem Schalldruck den dieser
bei seiner Resonanzfrequenz erzeugt, besteht
ein direkter Zusammenhang Ein Lautsprecher
mit optimiertem Ausschwingverhalten
(Kritisch bedampft) wird bei seiner Resonanzfrequenz
um 6 dB weniger Schalldruck
erzeugen als im Mitteltonbereich, ein Lautsprecher,
der ohne Schalldruckverlust bis
zu seiner Resonanzfrequenz herab arbeitet,
ist unterbedampft, die Membran schwingt
beim Ausschwingvorgang über ihre Ruhelage
hinaus ehe die Bewegung abklingt Die
Erklärung hierfür ist einfach Die Membranbewegung
wird vom Lautsprecherantrieb
(Schwingspule und Magnetfeld) kontrolliert,
bei hinreichend niedriger Resonanzfrequenz
schwingt die Membran langsam
aus, die bei Beschleunigungen und
Verzogerungen auftretende Massenträgheit
bleibt gering, der Antrieb kann die Bewegung
kontrollieren Mit wachsender Resonanzfrequenz
wird die Massenträgheit großer,
der Antrieb kann den Ausschwingvorgang
immer schlechter abbiemsen, ein
Uberschwingen ist die Folge Erhöht man
die Resonanzfrequenz durch ein zu kleines
Gehäuse noch weiter, wird das Uberschwingen
so stark, daß der Lautsprecher
auf neue Signale nicht sauber reagieren
kann, da er noch mit sich selbst beschäftigt
ist
Diese Zusammenhange haben physikalische
Grundlagen und gelten daher für alle
oben angesprochenen Lautsprechertypen
Wieviel Watt ist ein Watt?
Ein guter Horn- oder Trichterlautsprecher
ist dem herkömmlichen Membranlautsprecher
gegenüber in Wirkungsgrad, Verzerrungsarmut
und Dynamikverhalten überlegen
Diese Überlegenheit ist erklärbar,
dabei zeigen sich gleichzeitig die Grenzen
der besten herkömmlichen Membranlautsprecher
Jeder Lautsprecher wandelt elektrische Energie
in akustische Energie um, das Verhältnis
der zugefuhrten elektrischen Energie in
Prozent ist der Wirkungsgrad, mit dem der
Wandler arbeitet
Die abgestrahlte Energie breitet sich im
freien Raum kugelförmig um den Lautsprecher
(Schallquelle) aus In einem Meter
Abstand vom Lautsprecher verteilt sich die
Energie auf die Oberflache der Kugel mit
dem Radius r = !, das sind ca 12,566 m 2 ,
und erzeugt dort eine Schallintensität
J (W/m 2 ) Schallintensität ist das Produkt
aus Schalldruck p(N/m 2 ) und Schallschnelle
v(m/s) Über die Schallkennimpendanz
(früher Schallwellenwiderstand) der Luft
Z0(Ns/m 3 ) ergibt sich für jede Schallintensität
ein bestimmter Schalldruck, der vom
menschlichen Ohr wahrgenommen werden
kann
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Der Wirkungsgrad eines Membanlautsprechers
hegt zwischen ca 0,1 und 5%, höhere
Werte erweisen sich in der Praxis als problematisch,
da zwischen dem Wirkungsgrad
eines Memranlautsprechers und der
Große des Lautsprechergehauses ein direkter
Zusammenhang besteht Um tiefe Tone
zu erzeugen muß der Lautsprecher in ein
Gehäuse eingebaut sein, die Große dieses
Gehäuses bestimmt maßgeblich mit welchem
Wirkungsgrad diese tiefen Tone
abgestrahlt werden. Um zum Beispiel,
einen Ton der Frequenz 20Hz mit einem
Wirkungsgrad von 5% abzustrahlen, muß
das Lautsprechergehause ein Volumen von
7
mindestens 1600 1 haben, für einen Wirkungsgrad
von 0,5% genügen schon 160 1
Jede Erhöhung des Wirkungsgrades geht
damit bei einer vorgegebenen Gehausegroße
zu Lasten der Baßleistungsfahigkeit 1
Das gilt grundsätzlich für jeden Membranlautsprecher
in allen geschlossenen und
Baßreflexgehausen, denn es ist eine Folge
physikalischer Gesetzmäßigkeiten
(Small, R.H,
Vented box loudspeakers Systems Part 1+2
Journal Audio Engineering Society, June,
July 1973)
Daraus ergibt sich für ein Lautsprechergehause
mit einem Volumen von 100 1, einer
noch üblichen Große, bei einem Wirkungsgrad
von 5% eine untere Grenzfrequenz,
bei der der Schalldruck auf die Hälfte abgefallen
ist, von 50 Hz
Ein weiteres Problem entsteht durch den,
gemessen an der Wellenlange tiefer Tone,
sehr geringen Membrandurchmesser
Ein Ton der Frequenz 100 Hz hat bereits
eine Wellenlange von 3,4 m Die Schallenergie,
die eine Lautsprechermembrane
erzeugen kann, ist abhangig vom „Strahlungswiderstand"
der Membran Strahlungswiderstand
ist ein Teil der „Strahlungsimpedanz",
des Widerstandes den die Luft
dem Strahler (Membran) entgegensetzt
Diese Strahlungsimpedanz ist das Produkt
aus Schallkennimpedanz (so) und Flache
des Strahlers Je großer die Flache des
Strahlers ist, umso großer ist also auch der
Strahlungswiderstand Wird die Membran
klein gegen die Wellenlange der abzustrahlenden
Frequenz, so nimmt der Stahlungswiderstand
sehr stark ab, er wird quadratisch
zur Frequenz geringer
Um weiterhin den gleichen Schalldruck zu
erzeugen, muß die Auslenkung der Lautsprechermembran
quadratisch zunehmen '
Um eine zugefuhrte Energie von 200 W bei
einem Wirkungsgrad von 5% umzuwandeln,
muß eine Membran von 40 cm
Durchmesser eine Auslenkung von 4,8 cm
bei 50 Hz und eine Auslenkung von 25 cm
bei 20 Hz machen
Selbst wenn durch die Anwendung des
Baßreflexpnnzipes diese Auslenkung im
Bereich der Resonanzfrequenz deutlich vermindert
werden kann, erreichen auch die
besten Lautsprecher hier die Grenze ihrer
mechanischen und elektrischen Belastbarkeit
Lautere Tone werden nicht entsprechend
lauter wiedergegeben, die Dynamik wird
komprimiert, die Verzerrungswerte liegen
bereits vorher über 10%
Eine Energie von 10 akustischen Watt
(200 W elektr bei 5% Wirkungsgrad) ergibt
einen Schalldruck von 120 dB in einer Entfernung
von einem Meter, ein recht hoher
Wert, im ungunstigsten Fall waren es in
vier Meter Entfernung jedoch nur noch 108
dB (Kugel mit r = 4), wobei argerhcherweise
die vom Lautsprecher erzeugten Verzerrungen
mit größerer Entfernung nicht
geringer werden.