Lautsprecher Und fquenzweichen-Referat

Lautsprecher und Frequenzweichen Seite 1

Schule: Schule Schlo Salem

Kollegstufe Spetzgart

Jahr: 1995

Leistungskurs: Physik

Name des Schlers: Jan Hichert

Thema: Lautsprecher und Frequenzweichen

Ausgabetermin des Themas: 28.01.95

Abgabetermin des Themas: 15.10.95

(Unterschrift des Schlers)

Punkte:

(Unterschrift des Lehrers)

Inhaltsverzeichnis


1 Einleitung

2 Der Lautsprecher

2.1 Der Schall

2.2 Das menschliche Ohr

2.2 Funktionsweise von Lautsprechern

2.3 Verschiedene Typen von Lautsprechern

2.3.1 Elektrodynamischer Lautsprecher

2.3.2 Elektrostatischer Lautsprecher

2.3.3 Piezoelektrischer Lautsprecher

2.3.4 Ionophon

2.4 Erluterung der Grundbegriffe

2.4.1 Frequenzdiagramm

2.4.2 Klirrfaktor

2.4.3 Wirkungsgrad

2.4.4 Impedanz

2.4.5 Belastbarkeit

3 Frequenzweichen

3.1 Notwendigkeit einer Frequenzweiche

3.2 Funktion einer Frequenzweiche

3.3 Erstellung einer Durchlakurve

3.4 Passive Frequenzweichen

3.3.1 Spulen

3.3.2 Kondensatoren

3.5 Aktive Frequenzweichen

4 Lautsprechersysteme

4.1 Bareflex-Box

4.2 Transmissionline- und Exponentialboxen

4.3 Subwoofersystem

5 Nachwort

6 Quellenverzeichnis

A Anhang: Originale der Versuchsprotokolle

1. Einleitung


In der Kollegstufe Spetzgart der Schule Schlo Salem gibt jeder Kollegiat im Semester 13.1 eine

Facharbeit ab. Das Thema der Facharbeit kann der Kollegiat selber vorschlagen, es mu aber in das

Gebiet eines Leistungskurses gehren. Die Note die der Kollegiat fr seiner Facharbeit erhlt kann er

sich auf seinem 13.2 Zeugnis anrechnen lassen.

Schon lange interessiere ich mich fr das Thema Lautsprechersysteme und sah jetzt die Mglichkeit,

mich intensiver mit dem Thema zu beschftigen.

Ich werde im ersten Teil auf den Lautsprecher an sich eingehen, im zweiten auf Frequenzweichen und

im dritten auf komplette Lautsprechersysteme.

Mein Ziel ist es dem Leser einen allgemeinen berblick ber die Funktionsweise von verschiedenen

Lautsprechertypen zu geben.

2. Der Lautsprecher


Der Lautsprecher ist mit der wichtigste Teil einer Hifi-Anlage. Er hat gewhnlich mehr Einflu auf die

Klangqualitt des ganzen Systems als alle anderen Kompnenten. Dies ist mit einem kleinen Versuch

einfach zu zeigen:

1. Man nehme eine qualitativ schlechte Anlage und schliee sie an zwei gute Lautsprecherboxen an.

2. Dann nehme man zwei sehr schlechte Boxen und schliee diese an eine gute Anlage an.

Das Ergebnis dieses Versuches ist, da die Kombination gute Lautsprecher mit schlechter Anlage die

Kombination schlechte Lautsprecher mit guter Anlage mit ihrer Klangqualitt bei weitem bertrifft.

Ein Audiosystem (Anlage mit Lautsprechern) ist eine Kette, deren schwchstes Glied nicht selten die

Lautsprecher sind.

2.1 Der Schall

Schall entsteht, wenn Krper mit einer Frequenz von 20 Hz bis 20 kHz schwingen. Schallwellen

bertragen sich als periodische Schwankung der Dichte in Form longitudinalen Wellen fort und knnen

ber jedes elastische Medium bertragen werden. Bei uns ist es die Luft. Die

Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls hngt vom Medium ab in dem er schwingt. In der Luft

betrgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit C = 344 ms-1. Bei Lautsprechern werden die Schallwellen

von einer vibrierenden Membran oder Kalotte erzeugt und ber die Luft ans menschliche Ohr

bertragen.

2.2 Das menschliche Ohr

Alle Beschreibungen von Lautsprechern, Frequenzweichen und bertragung des Schalls htten eine

Lcke, wrde man nicht den fr den Menschen eindeutig wichtigsten Teil vergessen.

Das hchstentwickelte Gehr haben Sugetiere. Auch den Menschen zhlt man hier dazu.

Man unterscheidet beim Ohr im groen zwischen dem Auenohr (Ohrmuschel und Gehrgang), dem

Mittelohr (Paukenhhle und Gehrknchelchen) und dem Innenohr (Schnecke und Bogengnge des

Gleichgewichtsorgans). Die Ohrmuschel besteht fast ausschlielich aus Knorpeln (Ausnahme:

Ohrlppchen). Sie hat die Form eines flachen Trichters, der die eintreffenden Schallwellen sammelt

und in den Gehrgang weitergibt. Am Ende des etwa 3 cm langen Gehrgangs liegt das Trommelfell,

welches durch das Ohreschmalz geschmeidig gehalten wird. Das Trommelfell ist beim Menschen etwa

einen halben Quadratzentimeter gro und hat die Form eines Trichters. Das Trommelfell dient als

Membran und wird durch die eintreffenden Schallwellen in Schwingungen versetzt. Diese gibt es auf

die drei Gehrknchelchen (Hammer, Ambo, Steigbgel) weiter ins Mittelohr. Die drei gelenkigen

Knchelchen verstrken das eingehende Signal dabei um das zwei- bis dreifache. ber den Steigbgel

werden die Wellen in das Innenohr weiter gegeben und treffen auf das Ovale Fenster. Dieses hat nur

etwa ein zwanzigstel oder noch weniger der Flche des Trommelfells, dadurch wird eine extreme

Steigerung des Schalldrucks erreicht. Im Innenohr gehen die Wellen dann in das eigentliche


Gehrorgan, die Schnecke. In der Schnecke liegen die Sinnesorgane, welche mit sehr feinen Hhrchen

die Schallwellen wahrnehemen und diese Informationen an das Gehirn weiterleiten.

Natrlich habe ich versucht, den ganzen Vorgang auf das Allerwichtigste zu reduzieren, es ist also nur

ein sehr grober berblick ber ein Thema, das wohl weit komplexer als der Bau eines Lautsprechers

ist. Es sollte nur der Bogen vom ersten Signal aus dem Verstrker bis zur Wahrnehmung durch den

Menschen geschlossen werden.

2.2 Funktionsweise von Lautsprechern

Ein Lautsprecher ist grundstzlich ein elektroakustischer Wandler, der elektrische Schwingungen in

mechanische Schwingungen der Lautsprechermembran im hrbaren (akustischen) Frequenzbereich

(3020 000 Hz) umwandelt. Am verbreitetsten ist der dynamische Lautsprecher, bei dem eine in einen

topffrmigen Dauermagneten eintauchende Spule mit einer Membran verbunden ist

(Tauchspulenprinzip). Fliet durch diese Spule eine Wechselstrom, so wird die Membran im Takt des

Wechselstroms angeregt.

2.3 Verschiedene Typen von Lautsprechern

Um einen Ton optimal klingen zu lassen mu der Durchmesser der Membran die ihn erzeugt mglichst

kleiner als seine Wellenlnge sein. Jedoch kann die Membran auch keine Tne wiedergeben, die eine

viel grere Wellenlnge haben als ihr Durchmesser. Wir stellen also fest, da es nicht mglich ist,

den ganzen Frequenzgang des menschlichen Gehrs mit einem Lautsprechertyp wiederzugeben.

Daher hat man fr verschieden Frequenzbereiche verschiedene Typen von Lautsprechern entwickelt.

2.3.1 Elektrodynamischer Lautsprecher (siehe Abb. 1)

Der Standardlautsprecher vor allem im Tief- und Mitteltonbereich ist der elektrodynamische

Lautsprecher. Die Konus- oder Kalottenmembran hngt frei im ringfrmigen Luftspalt eines

Dauermagneten und mit ihr die an sie befestigte Schwingspule. Diese Schwingspule schwingt im

Rhythmus des ihr zugefhrten Frequenzstromes, was dann natrlich die Membran zum Schwingen

bewegt.


Abb. 1

Abb. 2

2.3.2. Elektrostatischer Lautsprecher (siehe Abb. 2)

Elektrostatische Lautsprecher werden fr Hochtner ab 5 kHz verwendet. Zwischen einem

Kondensator hngt eine dnne Folie. Das Feld des Kondesators ndert sich proportional mit dem

Frequenzstrom. Verursacht der Kondensator nun durch Auf- und Abschwellen des Frequenzstroms

eine Vibration der Folie, so bertrgt diese den Schall an die Luft.

2.3.3. Piezoelektrische Lautsprecher


Bei dem ebenfalls als Hochtner eingesetzten piezoelektrischen Lautsprecher ensteht beim Anlegen

einer Frequenzspannung die Verformung einer Platte, die aus Piezokristallen besteht. Verformt sich

also diese Platte mit dem Rhythmus des Frequenzstromes, so regt sie die Luft zum Schwingen an.

2.3.4. Ionophon

Eine ganz spezielle, neue und aufwendige Art des Lautsprechers wurde mit der Technik des Ionophons

geschaffen. In einem Ionophon wird proportional zum Frequenzstrom Luft ionisiert. Die

Volumenausdehnung, die bei jedem Ionisier-Vorgang entsteht, verursacht in der Luft schnelle Wellen.

Besonders gut findet das Ionophon verwendung als Hochtner.

2.4 Erluterung der Grundbegriffe

In aller Fachliteratur, in vielen Zeitschriften und Prospekten sind Fachbegriffe wie z.B.

Frequenzdiagramm oder Klirrfaktor gang und gebe. Jeder vergleicht sie, man hat sich irgendwann

gemerkt, ob ein groer oder ein kleiner Klirrfaktor besser ist.

Was die Begriffe jedoch tatschlich bedeuten, wie man darauf kommt wei jedoch bei weitem nicht

jeder der sie benutzt. Ich versuche nun die fnf wichtigsten zu erlutern, teilweise auch durch

Versuche zu besttigen.

2.4.1 Frequenzdiagramm

Ein Kleinkind vermag Tne mit Frequenzen von 15 Hz bis etwa 20 kHz zu hren. Die Fhigkeit hohe

Tne zu hren nimmt mit dem Alter ab.

Zwecks Hrkomfort sollte ein guter Lautsprecher mglichst alle Tne mit Frequenzen zwischen 30 Hz

und 16 kHz mit gleicher Lautstrke wiedergeben knnen.

In einem Frequenzdiagramm kann man erkennen, ob der Lautsprecher bei gleichbleibender Leistung

aus dem Verstrker die Lautstrke bei verschiedenen Frequenzen halten kann.

Versuch:

Ein Frequenzdiagramm ist einfach zu erstellen: Man nimmt einen Frequenzgenerator und speist mit

diesem den Lautsprecher. Mit einem Mikrofon wird nun die Lautstrke bei den jeweiligen Frequenzen

gemessen (Da mir kein digitales dB - Megert zu Verfgung stand bentzte ich hier ein Oszilloskop).

So entsteht ein Diagramm mit zwei Achsen: einer Lautstrke-Achse und einer Frequenz-Achse. Die

Kurve sollte zwischen den beiden Eckdaten 30 Hz und 16 kHz sich mglichst einer Geraden nhern.

Eine Gerade wrde bedeuten, da der Lautsprecher bei gleichbleibender Leistung aus dem Verstrker

auf allen Frequenzen zwischen 30 Hz und 16 kHz die gleiche Lautstrke htte - dies wre der


Optimalfall. In der Praxis sind kleine Abweichungen zu vernachlssigen, da das menschliche Gehr

nur Unterschiede von mind. 3 dB wahrnehmen kann.

Da ich kein Lautstrke-Megert zu Verfgung hatte messe ich anstatt Lautstrke die maximale

Amplitude des ausgehenden Frequenzstromes - die Stromstrke I(f).

Aufbau:

Abb. 3

Fehlerquellen:

Bei der Erstellung der

Wertetabelle fielen folgende

Fehlerquellen wohl am

meisten ins Gewicht:

1. Die Messungen wurden in

einem nicht schalltoten

Raum durchgefhrt. Das

heit, sie werden stark von

Reflektionen

beeintrchtigt.

2. Da mir kein dB - Megert

zu Verfgung stand mute die Lautstrke ber den Oszillographen ermittelt werden. Die Amplitude

der Sinuswellen [Skt] gab mir die Lautstrke an, diese muten jedoch vom Bildschirm abgelesen

werden woraus sich weitere Ungenauigkeiten ergaben.

Ergebnisse:


Wertetabelle

Frequenz [Hz] Stromstrke [Skt] Frequenz [Hz] Stromstrke [Skt]

10 - 90 nicht mebar 1500 6,5

100 2 2000 10

150 6 3000 5,5

200 4 4000 10

300 3 5000 6,5

400 2 6000 5

500 3 7000 4

600 3,5 8000 2

700 3,4 9000 3

800 4,5 10000 3

900 5 15000 6,5

1000 5,5 20000 9

Besonderheiten:

1. Wenn man die Frequenz bei etwa 1,2 kHz erhht, kann man ein leichtes Knacken vernehmen. Dies

lt sich vermutlich auf ein Umschalten der Frequenzweiche zurckfhren.

2. Das absolute Lautstrkemaximum erreicht der Lautsprecher bei ca. 2,2 kH

Kurve:


012345678910

10 30 50 70 90 150

300

500

700

900

1500

3000

5000

7000

9000

15000

Strom

2.4.2 Klirrfaktor

Der Klirrfaktor bezeichnet den Anteil an unerwnschten Tnen, welche ein Lautsprecher ausstrahlt.

Fhrt man einem Lautsprecher ein Tonsignal von z.B. 2000 Hz zu, so sollte er theoretisch auch nur

diesen Ton ausstrahlen. Dies wre dann ein Klirrfaktor von 0%. Tatschlich ist es jedoch so, da der

Lautsprecher neben dem erwnschten Ton auch noch andere Tne ausstrahlt. Diese bezeichnet man als

Oberwellen. Die strksten Oberwellen liegen beim Zwei- oder Dreifachen der Grundfrequenz. Man

nennt sie Kn (Die zweite Oberwelle K3 von unserer Grundfrequenz von 2000 Hz wre dann z.B. 6000

Hz). Ein Klirrfaktor von < 2% ist fr einen Lautsprecher bereits im sehr guten Bereich. Man ermittelt

den Klirrfaktor zwischen etwa 50 Hz und 10 kHz. Dies hat den einfachen Grund, da der Klirrfaktor

eines Hochtners nicht von Interesse ist, da schon die erste Oberschwingung fr uns nicht mehr hrbar

ist.

Versuch:

Da ich kein digitales Megert zu Verfgung habe, beschrnke ich mich darauf nachzuweisen, da ein

Klirrfaktor (bzw. Oberwellen) vorhanden ist (sind).

Wir speisen die Box mit einer bestimmten Frequenz aus dem Frequenzgenerator und lassen uns mit

einem Mikrofon die von der Box ausgestrahlten Frequenzen anzeigen. Um den Klirrfaktor tatschlich

in einer Prozentzahl angeben zu knnen mten wir nun feststellen, wie gro der Anteil der Lautstrke

der Oberwellen an der Gesamtlautstrke ist. Dies ist jedoch auf dem Bildschirm des Oszillographen

nur zu erahnen. (Aufbau wie Abb. 3 des vorherigen Versuchs)

Fehlerquellen:

1. Wir befinden uns wieder in keinem reflektionsfreien Raum, was die Messung der vom

Lautsprecher ausgesandten Wellen beeinflut.


2. Wieder knnen wir die Lautstrke nur vom Oszillographen ablesen, was keine genaue Messung

zult.

Ergebnisse:

Bei etwa 10 kHz fing ich an auf dem Bildschirm des Oszillographen nach Oberwellen zu suchen. Hier

wurde ich noch nicht fndig. Erst bei niedrigeren Frequenzen (im Bereich von ca. 500 Hz) wurden

ganz klar die erste und zweite, manchmal auch die dritte Oberwelle sichtbar.

2.4.3 Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad gibt an welche Lautstrke ein Lautsprecher erzeugt, wenn er mit einer bestimmten

Leistung angesteuert wird. Der Wirkungsgrad wird in dB-Watt/m gemessen. Herkmmliche HiFi-

Systeme haben einen Wirkungsgrad von etwa 85-90 dB-Watt/m, PA-Lautsprecher weisen

Wirkungsgrade bis zu 110 dB-Watt/m auf. Fr Hifi-Systeme ist der Wirkungsgrad nur von unwichtiger

Bedeutung, da er nichts ber die Qualitt des Lautsprechers aussagt. Leistung ist eigentlich im

Wohnzimmerbereich immer genug vorhanden. Wichtig wird der Wirkungsgrad bei der Beschallung

von offenen Gelnden oder groen Hallen wo mehr auf Lautstrke als auf Qualitt geachtet werden

mu.

2.4.4 Impedanz

Die Impedanz eines Lautsprechers ist sein Innenwiderstand im Wechselstromkreis. Die Impedanz wird

wie der Gleichstromwiderstand in Ohm gemessen. Als Faustregel kann man sich merken, da der

Gleichstromwiderstand einer Box etwa 20% kleiner ist als ihre Impedanz. Also weist eine Box mit

einer Impedanz von 8 Ohm einen Gleichstromwiderstand von etwa 6,4 Ohm auf.

Die gngigen Impedanzen von Lautsprecherboxen liegen bei 4 oder 8 Ohm. Dies ist besonders beim

Anschlieen der Box am Verstrker von Wichtigkeit. Niemals darf die Impedanz der Lautsprecherbox

unter der Ausgangsimpedanz des Verstrkers liegen. Ist dagegen die Impedanz der Lautsprecherbox

hher als die des Verstrkers, schmlert dies lediglich die Ausgangsleistung des Verstrkers.

2.4.5 Belastbarkeit

Die Belastbarkeit von Lautsprecherboxen gliedert sich in drei Teilbereiche: Der Sinus- und

Musikbelastbarkeit und der Impulsbelastbarkeit, wobei den beiden ersten die grere Bedeutung

zukommt.

Die Sinusbelastbarkeit wird geprft, indem man das Lautsprechersystem 48 Stunden lang mit einem

festen Rhythmus und einem konstanten Signal belastet (Genaueres: DIN 45573). Diesen Test mu die

Lautsprecherbox ohne Schaden berstehen. Die Sinusbelastbarkeit ist also die Dauerbelastbarkeit einer

Lautsprecherbox.


Die maximale Belastung einer Lautsprecherbox fr kurzen Zeit (> 2 Sek.) ohne da es zu hrbaren

Verzerrungen oder entstehende Schden kommt nennt man die Musikbelastbarkeit.

In vielen Musiksignalen kommen Elemente vor, die sehr kurz das Lautsprechersystem sehr stark

belasten. Die Impulsbelastung ist so definiert, da eine Lautsprecherbox auch sehr kurze (< 10

mSek.) aber sehr starke Belastungen ohne Schden verkraftet.

3. Frequenzweichen

Das Ziel eines Lautsprechersystems ist es, den gesamten fr den Menschen hrbaren Audio-Bereich

wiederzugeben. Fr den einzelnen Lautsprecher gilt wie schon gesagt eine Faustregel, da die

Wiedergabe besonders gut gelingt, wenn die Schallwelle grer ist als ihr Erreger. Da jedoch die


Wellenlnge im Audiobereichs sehr stark variiert ist es schwer, dies in einem Lautsprecher zu

verwirklichen.

Die Wellenlngen im Audiobereich zwischen 20 Hz und 20 kHz liegen weit auseinander:

Wellenlnge bei 20 Hz: C = f 1) = C / f = 344 ms-1 / 20 Hz = 17,2 m

Wellenlnge bei 20 kHz: = C / f = 344 ms-1 / 20000 Hz = 0,0172 m

Wir sehen also, da wir um ein optimales Klangbild zu bekommen verschiedene Lautsprecher mit

verschiedenen Frequenzbereichen ansteuern men. Zu diesem Zweck entwerfen wir Filter, die in

einem Lautsprechersystem jeweils die passenden Frequenzen an jeden Lautsprecher zufhren.

3.1 Notwendigkeit einer Frequenzweiche

Damit niedrige Frequenzen mit gengender Lautstrke wiedergegeben werden knnen bedarf es einer

groen Membran die genug Hub hat. Diese Membran ist aber auf jeden Fall zu gro, als da sie Tne

aus dem oberen Frequenzbereich wiedergeben knnte. Es liegt also nah fr hohe Frequenzen einen

Lautsprecher mit deutlich kleinerer Membran zu nehmen. Um einen Ton im Bereich von 20 kHz

optimal wiedergeben zu knnen mte die Membran kleiner als 0,0172 m sein.

Htte man nun fr jeden Frequenzbereich einen passenden Lautsprecher gefunden, so ist man jedoch

dem Ziel erst ein kleines Stck nher gekommen. Wrde man nun alle Lautsprecher parallel an das

Ausgangssignal eines Verstrkers anschlieen, so wrden tatschlich alle Lautsprecher mit dem ihnen

zugehrigen Frequenzbereich angesteuert. Aber eben nicht nur mit dem zugehrigen Bereich sondern

mit allen anderen Frequenzen genauso, was einen groen Qualittsverlust bedeuten wrde. Auf der

einen Seite wird der Hochtner aufgrund seines geringen Hubs nicht der Amplitude des Tieftners

folgen knnen, auf der anderen Seite wrden hohe Frequenzen auf der Membran des Balautsprechers

starke Eigenschwingungen verursachen. Dies htte einen Steigerung des Klirrfaktors zur Folge.

Nach diesen Einwnden wird klar, da das Signal aus dem Verstrker gefiltert werden mu bevor man

es den Hoch- und Tieftnern einspeist.

3.2 Funktion einer Frequenzweiche

Als erstes mu das Basignal auf den Hochtnern gedmpft werden. Diese Aufgabe bernimmt der

Hochpafilter, welcher niedere Frequenzen dmpft und Frequenzen ber der sog. Trennfrequenz ft

durchlt. Liegt zum Beipsiel die Trennfrequenz eines Hochpassfilters bei 5000 Hz, so liegen die

Frequenzen oberhalb der 5000 Hz Grenze auf dem Durchlaband, Frequenzen unterhalb der 5000 Hz

auf dem Sperrband.

1) Schallgeschwindigkeit C = 344 ms-1


Der Hochpafilter macht nicht schlagartig an dieser Stelle zu, sondern er filtert den bergang mit einer

bestimmten Steigung. Ist diese Steigung gering, so klingen die Frequenzen des Sperrbandes langsam

aus. Optimal ist ein steiler Dmpfungsverlauf, so wird der Membranhub des Hochtners gedmpft und

sein Wiedergabebereich erklingt optimal. Der Dmpfungsverlauf wird in Dezibel pro Oktave

gemessen. Je hher der dB-Wert ist, desto steiler ist der Abfall bzw. Anstieg der

Frequenzdurchlakurve, desto ausgeprgter ist also die Unterdrckung der unerwnschen Frequenzen.

Nun men noch die hohen Frequenzen vom Tieftner gedmpft werden. Diese Aufgabe bernimmt

der Tiepafilter, welcher die Frequenzen unterhalb von der Trennfrequenz ft passieren lt - oberhalb

lt er wiederum die Frequenzen langsam abklingen.

Fast so unmglich wie den gesamten Audiobereich des Menschen mit einem Lautsprecher darzustellen

ist es, ihn mit zwei Lautsprechern komplett zu haben. Es ist mindestens noch ein Mitteltner

notwendig. Man redet dann von 3-Weg-Lautsprechern. Nun mu man mit mehr als zwei Filtern

arbeiten. Es liegt am Konstrukteur der Frequenzweiche die Trennfrequenzen festzulegen, von denen es

beim 3-Wege-Lautsprecher natrlich zwei gibt.

3.2 Erstellung einer Durchlakurve

Die Durchlakurve lt sich in zwei Arten darstellen: in einem I(f)-Diagramm oder in einem dB-f-

Diagramm. Die gngige Art der Darstellung ist ein dB-f-Diagramm, das schematisch bei einer 3-

Wege-Frequenzweiche wie folgt aussieht:

Abb. der Durchlakurve auf Seite 39 im groen Buch

Da es mir nicht mglich war die Lautstrke in Dezibel zu messen ma ich anhand der Amplitude der

Welle die Stromstrke I(f). Somit erstelle ich keine typische Durchlakurve mit einer Lautstrke- und

einer Frequenz-Achse, sondern stelle den Verlauf in einem I(f)-Diagramm dar.

Versuch:

An die Zwei-Wege-Weiche der Box, die ich schon in meinen Versuchen zu den Lautsprechern

bentzte, schlo ich einen Frequenzgenerator an. Direkt von den Ausgngen auf der Weiche zum

Hoch- und Tiefpa ging ich dann in den Oszillographen.


Ergebnisse:

Ich konnte feststellen, da der Tiefpa tatschlich bei einer bestimmten Trennfrequenz zumachte und

nach unten hin immer mehr Strom durchlie.

Das Gegenteil war beim Hochpa festzustellen. Er lie die oberen Frequenzen gut durch und machte

um die gleiche Trennfrequenz nach unten hin zu.

Metabelle Tiefpa/Hochpa:

Frequenz [Hz] Strom [Skt] Frequenz [Hz] Strom [Skt]

Tiefpa

Strom [Skt]

Hochpa

100 16 1500 3 0,5

150 15 2000 3,5 1

200 13 2500 2,5 2

250 12 3000 1 2,5

300 11 4000 0,5 3

350 10 5000 0,5 3,5

400 9 6000 4

450 8 7000 4,5

500 7 8000 5

600 6 9000 5

700 5,5 10000 6

800 5 15000 8

900 5 20000 9,5

1000 4,5

Kurve:


0

2

4

6

8

10

12

14

16

100

250

400

600

900

2000

4000

7000

10000 Tiefpa

Hochpa

3.4 Passive Frequenzweichen

Wir unterscheiden hauptschlich zwischen passiven und aktiven Frequenzweichen.

Der wesentliche Unterschied ist, da bei aktiven Weichen im Gegensatz zu passiven Weichen noch

eine Verstrkung der einzelnen Bandpsse in der Frequenzweiche mglich ist.

Kondensatoren, Spulen und Widerstnde sind die Hauptbestandteile einer passiven Frequenzweiche.

Die von mir beschriebenen Polynomfilter werden grundstzlich von einer konstanten Spannungsquelle

gespeist und haben am Ende einen Ohmschen Widerstand.

Schaltbild eines Tief- und Hochpasses:

Abb. 4

3.4.1 Spulen


Eine Spule in einer passiven Frequenzweiche hat eine Induktivitt zwischen 0,1 mH bis 20 mH mit

einem mglichst geringem Verlustwiederstand Rl. Bei reinen Luftspulen (Spulen ohne Kern) ist Rl

gleichgro wie der Gleichstromwiderstand der Spule und somit stark von Durchmesser und Lnge des

Wicklungsdrahtes abhngig. Ein Kern wrde zwar die Induktivitt der Spule stark erhhen und somit

krzeren und dickeren Draht ermglichen, jedoch der Kern braucht auch Energie, was einem erhhten

Verlustwiderstand gleichzusetzen wre. Der Verlustwiderstand besteht also schluendlich aus dem

Gleichstromwiderstand, der Wicklung und den Verlusten durch die Ummagnetisierung im Kern.

Die Induktivitt L einer Spule hngt zum groen Teil von der Anzahl der Wicklungen sowie der

geometrischen Form der Spule ab. Der Verlustwiderstand wird geringer, wenn der Draht strker wird.

Wird der Draht strker werden jedoch auch die Abmessungen der Spule grer, was zur Folge hat, da

ab einer bestimmten Induktivitt ein Kern unabdingbar wird. Da die Spulen auf der Platine der

Frequenweiche sehr dicht beieinander liegen ist es wichtig ihre Achsen senkrecht zueinander zu halten,

um einer gegenseitigen Strung ihrer Magnetfelder vorzubeugen.

3.4.2 Kondensatoren

Die Kondensatoren in einer Frequenzweiche haben meistens eine Kapazitt von ca. 1 F bis 500 F. Oft werden Folienkondensatoren benutzt.

Da passive Filter im niederohmigen Bereich liegen, kann man die Verluste von Kondensatoren

meistens vernachligen. Dieser Verlustwiderstand Rc wird in einem Ohmschen Widerstand paralell

zur Kapazitt C ausgedrckt.

Die Spannung auf dem Kondensator darf dessen Nennspannung auf keinen Fall berschreiten. Diese

Spannung ist aber nicht so leicht auszurechenen wie ein Ohmscher Spannungsteiler, da sie von der

Frequenz und den Filtern abhngt.

3.5 Aktive Frequenzweichen

Die Besonderheit der aktiven Frequenzweiche ist, da die Funktion des Hoch- und Tiefpasses durch

eine aktive Filterschaltung erzeugt wird. Aktiv meint, da eine Verstrkung innerhalb der einzelnen

Filter stattfindet. Die Hoch- und Tieftner werden mit jeweils eigenen Endverstrkern angesteuert. Der

groe Vorteil davon ist, da der komplette Filter von dem Lautsprecher entkoppelt ist, man mu sich

also beim Aufbau der Filter keine Gedanken ber Kompensation der Eigenimpedanz der Lautsprecher

machen. Wenn Hoch- und Tieftner verschiedene Wirkungsgrade haben, so lassen sich diese ohne

weiteres angleichen, in dem man einfach die jeweiligen Endverstrker anders einstellt.

Die Leistung der Endverstrker richtet sich nach dem Wirkungsgrad und natrlich der Belastbarkeit der

angeschloenen Lautsprecher.

Der eigentliche Kern der aktiven Frequenzweiche stellen die Filter dar. Sie sind nicht wie bei der

passiven Weiche komplett vernetzte Elemente, sondern bestehen aus sogenannten


Operationsverstrkungsschaltungen, welche sich dadurch auszeichnen, da sie aus mehreren von

einander entkoppelten Stufen bestehen. Die aktive Filtertechnik beinhaltet unendlich viele

verschiedene Aufbaumglichkeiten, als bekanntes Beispiel z.B. den Sallen-Key-Filter (siehe Abb. 5).

Abbildung von Sallen-Key-Filter (seite 136)

Abb. 5

4 Lautsprechersysteme

Um den Bogen zwischen Frequenzweichen und verschiedenen Lautsprechern zu schlieen will ich im

vierten Punkt auf Lautsprechersysteme zu sprechen kommen.


Eigentlich gehrt es zu den Hauptschwierigkeiten der Hifi-Technik einzelne Komponenten zu einem

hochwertigen Ganzen zusammenzufhren. Fr den Laien ist es kaum mglich mit einem komplett

selbst zusammengestellten System zu einem nur einigermaen zufriedenstellendens Ergebnis zu

kommen. Es gibt soviele Faktoren, die in das System mit hineinspielen, da viel Fachwissen und

Erfahrung gefragt sind. Ganz simpel scheint berhaupt einmal die Frage zu sein, welches System von

Lautsprechern den das Idealste sei:

4.1 Bareflex-Box (Abb. 6)

Oft besteht der Wunsch, eine in allen Frequenzlagen leistungsfhige Box in einem einigermaen

handlichen Format zu bekommen. Geringe Gehusegren haben Nachteile, die nur schwer durch

Konstruktionskniffe zu beheben sind. Grundstzlich kann man sagen, da geringe Gehusegren die

tiefen Tne nicht so gut wiedergeben knnen wie groe Gehuse. Im Mittel- und Hochtonbereich

spielt die Gehusegre keine allzu wichtige Rolle mehr. Das Problem des geringen Volumens einer

Box ist, da sich der Tieftonlautsprecher mit seinem groen Hub nicht sehr frei bewegen kann, da er

whrend seiner Vibration im Gehuse ber- und Unterdruck schafft. Dies arbeitet seinem eigentlichen

Hub natrlich immer entgegen. Um dieses Druckproblem zu lsen wurde das Ba-Reflexions-System

entwickelt. Der Trick ist der, da man versucht durch ein Loch in der Box das Druckproblem zu

mildern. Das Loch darf weder zu gro noch zu klein sein, es mu bei einem groen Hub des

Balautsprechers genausoviel Luft hinauslaen, da dieser ohne groe Belastung voll ausschlagen

kann.

Abb. 6

Auch die Tatsache, da eine Lautsprechermembran genausoviele Wellen nach hinten ausstrahlt,

kommt bei der Bareflexionsbox besser zur Geltung. Sie knne durch die ffnung, den

Bareflexkanal, das Klangbild vervollstndigen.

Das Reflexions-System ist weit verbreitet, eben aus dem Grund, da sich im Verhltnis zur Gre der

Box gute Ergebnisse auch im Tieftonbereich ergeben.

4.2 Transmissionline- und Exponential Box (Abb. 7)


Diese Boxen sind eine ebenfalls sehr weit verbreitete Variante der Bareflex-Boxen. Sie haben eine

Langen Reflexkanal, den sog. Transmissionsline-Kanal, der fr eine besonders tief herabreichende

Bawiedergabe sorgt. Die Besonderheit dieser Variante ist, da sich der Transmissionsline-Kanal zu

seinem Ende hin verjngt, was eine Stabilisierung des Luftvolumens im Innern der Box zur Folge hat.

Dadurch wird erreicht, da der Ba kontrollierter und somit przieser schwingt.

Exponentialboxen sind im Grunde genommen sehr hnlich den Transmissionsline-Boxen, doch wird

der Reflexkanal hier nach hinten weiter. Somit ist der Luftwiderstand auf der Rckseite der Membran

sehr gering, es bedarf also besonderer Lautsprecher fr Exponentialboxen. Der Vorteil dieser Boxen

liegt bei ihrem hohen Wirkungsgrad.

Abb. 7

5 Nachwort

Hat man diese Arbeit gelesen, so wei man vielleicht ein Bruchteil ber das Gebiet, ber das ich

schrieb. Es gibt endlos viele verschiedene Arten von Lautsprechern, Frequenzweichen und


Lautsprechersystemen. Ich habe versucht die jeweils Wichtigsten zu nennen und verstndlich zu

machen.

Oft verzweifelte ich an der Materie und dachte, ich htte ein vllig unberschaubares Gebiet vor mir.

Dann gab es auch Lichtblicke: Als die Dinge verstanden waren fiel es viel leichter, und das Schreiben

ging locker von der Hand. Dann fing die Arbeit an Spa zu machen, und es entwickelte sich ein immer

greres Interesse.

Ich bin auch im Nachhinein froh dieses Thema ausgewhlt zu haben. Die intensive Beschftigung mit

dem Thema hat mein Verstndnis fr dieses Fachgebiet stark vergrert. Ich werde von nun an mit

besserem Verstndnis mich in diesem Gebiet zurechtfinden.

6 Quellenverzeichnis

1 Magnusen, Herbert: Alles ber Lautsprecherboxen. Mnchen: Elektra

2 Panzer, Jrg: Frequenzweichen fr Lautsprecher. Poing: Franzis Verlag


3 Meyers Neues Lexikon in zehn Bnden. Mannheim: Meyers Lexikon Verlag

4 Gerthsen, Christian et. al. : Physik. Berlin: Springer-Verlag

5 Bredthauer, Wihlem et. al. : Schwingungen und Wellen. Stuttgart: Ernst Klett Verlag


Anhang: Originale der Versuchsprotokolle

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Lautsprecher Und fquenzweichen-Referat