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Wie funktioniert ein Lautsprecher? 06:27 min

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Transkript Wie funktioniert ein Lautsprecher?

Bevor wir uns mit der Fragestellung befassen, nämlich wie ein eigentlicher Lautsprecher funktioniert, schauen wir uns erst einmal den Weg zwischen Computer und Lautsprecher an und dabei beginnt in unserem Fall alles bei der Audiodatei. Diese Musikdatei ist nun zum einen codiert, also verschlüsselt, und zusätzlich komprimiert, um deren Datengröße möglichst gering zu halten. Um diese beiden Verfahren wieder rückgängig zu machen, benötigen wir eine Software, den sogenannten Musik-Player, der den Schlüssel zu der Datei enthält, den sogenannten Audio-Codec. Ergebnis dieser Entschlüsselung ist ein digitales Signal, dessen nächstes Ziel der Soundchip ist. Der kann sich nun entweder direkt auf dem Mainboard als Onboard-Sound befinden oder aber auf einer externen Soundkarte, die qualitativ meist hochwertiger ist. Auf diesem Soundchip finden nun diverse Verbesserungen des Audiosignals statt, unter anderem das Equalizing, die Surround-Simulation, die Hallberechnung für Games, das Bassmanagement und vieles mehr. Es ist und bleibt dabei aber immer ein digitales Signal, das im nächsten Schritt jedoch in ein analoges umgewandelt wird. Dazu werden Digital-Analog-Converter, kurz DAC, verwendet. Sie machen also aus einem digitalen Signal, das aus einzelnen Werten besteht, ein analoges, also durchgängiges, Signal. Erzielt wird das, indem weitere Werte zwischen den bekannten Werte berechnet werden. Dieses Verfahren nennt sich „Interpolation“. Bevor das analoge Signal die Soundkarte beziehungsweise das Mainboard verlässt, läuft es noch durch einen Operationsverstärker, abgekürzt OPV oder OP-Amps, der den Pegel, also die Lautstärke, anpasst und damit deutlich erhöht. An diesem Punkt verläuft das Signal nun über ein Kabel an das Lautsprechersystem und dabei spielt es übrigens kaum eine Rolle, wie viel Geld man für das Kabel ausgibt. Ein möglichst geringer Datenverlust im Kabel beziehungsweise an den Kontaktflächen ist schließlich das Ziel, aber selbst vergoldete Stecker haben nur indirekt Einfluss auf die Soundqualität, weil sie die Kontakte nur vor Oxidation schützen und nicht den Übergangswiderstand verringern. Eine merkliche Besserung des Kabelklangs ist also eher Einbildung und somit psychoakustischer Natur. Weiter geht es mit dem Verstärker des Lautsprechers. Der besteht zum einen aus dem Pegelsteller, mit dem man die Lautstärke verändern kann, und der Endstufe, die wie ein Operationsverstärker arbeitet. Dabei wird das Signal wieder mit einem festen Verstärkungsfaktor multipliziert, allerdings arbeitet die Endstufe mit einer deutlich höheren Leistung als es der OPV tut. Bevor das Audiosignal nun endlich an die Lautsprecherboxen gelangt, wird es in einer letzten Einheit aufgesplittet, und zwar in ihre verschiedenen Frequenzen. Diese sogenannte Frequenzweiche verteilt das analoge Audiosignal also auf die jeweils passendste Lautsprecherbox. Da gibt es unter anderem Subwoofer mit einem Frequenzumfang von 20 bis 150Hz, Tieftöner von 40 bis 40Hz, Mitteltöner von 400 bis 2500Hz und Hochtöner von 2500 bis 20000Hz. Und diese verschiedenen Lautsprecherboxen sind nun zusammen in der Lage, alle möglichen Töne zu generieren, die für das menschliche Ohr wahrnehmbar sind. Wie an dem Frequenzumfang schon zu sehen, kann ein Mensch idealerweise Töne von 20 bis 20000Hz hören. Um das zu verdeutlichen, hört ihr jetzt in den nächsten zehn Sekunden alle Tonfrequenzen, die zum einen eure Lautsprecher erzeugen können und zum anderen die ihr wahrnehmen könnt. Aber Achtung: Eine zu hohe Lautstärke, vor allem mit Kopfhörern, kann zu Hörschäden führen. Also, los geht’s. Falls ihr mich noch hören könnt, machen wir weiter und schauen uns an, wie der eigentliche Lautsprecher nun funktioniert. Prinzipiell wird in einem Lautsprecher die elektrische Energie, die im analogen Signal steckt, eins zu eins in kinetische Energie, also Bewegung, umgewandelt. Diese Bewegungsenergie überträgt sich schließlich an die Luft und bewegt sich in ihr fort, besser bekannt als Schall. Um diese Energieumwandlung zu bewerkstelligen, wurden im Laufe der Zeit einige Lautsprechervarianten erfunden. Die verbreitetste ist aber mit Abstand der Tauchspulenlautsprecher. Und wie der Name schon sagt, taucht dabei eine Spule in etwas ein, und zwar in einen Permanentmagneten. Dieser kann aus verschiedenen magnetischen Metallen bestehen. Heutzutage wird aber meist eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung benutzt, da damit die derzeit stärksten Dauermagneten herstellbar sind. Die Spule, also eine Kupferspirale, ist auf einen zylindrischen Träger aufgewickelt, der wiederum an der Membran und der Abdeckkappe befestigt ist. Schickt man nun ein elektrisches Signal in die Spule, dann wechselwirken die bewegten Ladungen mit dem Magnetfeld. Diese entstandene Kraft nennt sich Lorentzkraft und lenkt die Spule und damit die Membran mit Abdeckkappe nach oben ab. Die Membran gibt die Bewegung an die Luftmoleküle weiter und dieser Schall gelangt dann irgendwann an unsere Ohren. Die Rückführung der bewegten Teile findet dann mit Hilfe der Sicke und der Zentrierspinne automatisch statt. Vom Subwoofer bis zum Hochtöner wird diese Technik erfolgreich eingesetzt. Eine weitere Lautsprechervariante ist der Magnetostat. Hier ist die Spule quasi in die Membran integriert, weil sich hier entweder Leiterbahnen auf einer Kunststoffmembran befinden oder die Membran selbst aus sehr dünnem Aluminium besteht. Wird die Membran mit Ladungen durchflossen, dann werden diese wieder vom Magnetfeld abgelenkt und die Membran bewegt sich. Der erzeugte Schall wird anschließend durch Aussparungen im Magneten an die Umgebung abgegeben. Da die Membranbewegung durch die dünne Bauweise stark eingeschränkt ist, werden magnetostatische Lautsprecher vor allem als Hochtöner eingesetzt. Ein Beispiel für einen Lautsprecher ohne Magneten stellt der Piezolautsprecher dar. Der nutzt das Phänomen der Piezoelektrizität, die besagt, dass ein Piezokristall bei Druckeinwirkung eine elektrische Spannung freisetzt und beim Anlegen einer Spannung seine Form ändert. Und so kann man schon durch ein einfaches Plättchen aus Piezomaterial und eines angelegten elektrischen Signals direkt Schall erzeugen. Da damit aber auch nur hohe Frequenzen erzielbar sind, wird der Piezolautsprecher hauptsächlich als Summer in elektrischen Kleingeräten benutzt. Neben den bisher genannten Lautsprecherarten gibt es dann noch Elektrostaten, die, wie der Name schon sagt, nach dem elektrostatischen Prinzip funktionieren, Biegewellenwandler, Rundumstrahler, elektromagnetische Lautspercher und Plasmalautsprecher, die zum Beispiel durch die temperaturabhängige Volumenänderung von Luftplasma direkt Schall aus einem elektrischen Signal erzeugen. Das sind aber allesamt sehr spezielle und teilweise nicht mehr genutzte Lautsprecherarten.

1 Kommentar
  1. Default

    Nicht wirklich hilfreich, wenn man erklären soll, wie ein Lautsprecher funktioniert. Viel zu viel Fremdwörter und Gisela Schlüter ist stumm gegenüber dem Tutor. Viel zu schnell erklärt.

    Von Clarissa P., vor fast 3 Jahren