Mouser German Blog

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Lautsprecher sind für unser Musik-Hörerlebnis von entscheidender Bedeutung. Seit den frühen 1920er Jahren sind sie das Standardmedium für die Wiedergabe von Audiosignalen. Mit der wachsenden Verbreitung von drahtlosen Verbindungen, digitaler Signalverarbeitung, Multi-Room-Fähigkeiten, intelligenten Lautsprechern und den aufkommenden Aktivlautsprechern wird unser Hörerlebnis zu einer allumfassenden Erfahrung. In diesem Blog stellen wir einige der wichtigsten Aspekte des Lautsprecherdesigns der nächsten Generation vor.

Aktivlautsprecher

Viele moderne Lautsprecher sind als Aktivlautsprecher konzipiert. Bei einem aktiven Lautsprecher-Design werden die Audioverstärkung, Signalverarbeitung und Filterung im Lautsprechergehäuse selbst durchgeführt. Bei einem Zwei-Wege-System gibt es zwei Audioverstärker: einen für das Mittel-/Tiefton-Chassis (Tieftöner) und einen für das Hochton-Chassis (Hochtöner). Das Eingangssignal wird durch elektronische Filter (Frequenzweichen) in zwei verschiedene Frequenzbänder aufgeteilt, deren Ausgänge die beiden Verstärker versorgen. Dieses System bietet viele Vorteile gegenüber dem traditionellen passiven Lautsprecher: Zum einen sind die Frequenzweichen-Komponenten selbst kleiner, preisgünstiger und genauer als ihre passiven Gegenstücke. Zum anderen arbeiten die Verstärker in einem engeren Frequenzbereich. Dadurch lassen sich Intermodulationsverzerrungen reduzieren. Die Verwendung von digitaler Signalverarbeitung (DSP) und drahtloser Verbindung ist bei Aktivlautsprechern weit verbreitet. Die Einheiten können auch für das Hören in mehreren Räumen zusammengeschaltet werden. Ihr Ausgangsfrequenzbereich kann erweitert und gesteuert werden und eine kräftige Basswiedergabe liefern, ohne das Lautsprecherchassis zu beschädigen. Zahlreiche Aktivlautsprecher können außerdem eine Vielzahl der heute verfügbaren Streaming-Dienste direkt streamen und verfügen über eine ganze Reihe von digitalen und analogen Eingängen.

Innovationen bei Verstärkern

Die Klasse D bietet eine hocheffiziente Audioverstärkung bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch und geringer Größe. Diese Technologie wird in Autos und tragbaren Geräten eingesetzt und wurde in Bezug auf die Audioqualität bisher als unterlegen gegenüber ihren linearen Gegenstücken (Klasse A, Klasse AB) angesehen. Durch Fortschritte im Bereich DSP sowie höhere Transistorgeschwindigkeiten ist dieser Verstärkertyp jedoch attraktiver geworden und heute in modernen aktiven Lautsprecherdesigns häufig anzutreffen.

Klangkompensation für Hörräume mit DRC

In einem unbehandelten Hörraum prallen Schallwellen je nach ihrer Frequenz von den Wänden ab oder werden von weichen Möbeln oder Gegenständen im Raum absorbiert. Gleichzeitig können reflektierte Schallwellen miteinander kollidieren. Dadurch können einige Frequenzen verstärkt erscheinen, während andere gedämpft werden, und der Zuhörer kann eine sehr unterschiedliche Wiedergabe des Tons im Raum hören. Die Positionierung der Lautsprecher im Raum kann insbesondere im Hinblick auf die Raumgrenzen entscheidenden Einfluss haben. Eine Technik zur Überwindung dieses Problems ist die Verwendung der digitalen Signalverarbeitung (DSP) beim Lautsprecherdesign, um die Interaktion des Raums mit dem Ton zu kompensieren. Dies wird als digitale Raumkompensation (DRC) bezeichnet. Der Prozess beinhaltet eine Analyse der klanglichen Eigenschaften und der Gestaltung des Raums sowie die Implementierung geeigneter Filter, um diese Effekte zu minimieren. Viele Aktivlautsprecher beherrschen diese Funktion. Für Lautsprecher, die diese DRC-Funktion nicht bereits an Bord haben, sind mehrere zusätzliche DRC-Einheiten erhältlich. Die Kombination aus DRC, intelligenter Lautsprecherplatzierung und einer grundlegenden Tonabstimmung kann einen großen Unterschied machen.

Gehäusedesign

Der Hauptzweck des Gehäuses ist die stabile Halterung der Lautsprecherchassis bei allen Frequenzen (Abbildung 1). Das Gehäuse darf nicht auf die Vibrationen des Chassis reagieren. Es darf nicht selbst ein Chassis sein. Die Herausforderungen beim Design bestehen hinsichtlich der verwendeten Materialien, des Gewichts und der Kosten des endgültigen Designs. Häufig werden Verstrebungen und Kammern verwendet, um die Wahrscheinlichkeit von Resonanzen zu verringern.

Abbildung 1: Das Gehäusedesign ist wichtig für eine stabile Halterung, um Vibrationen zu vermeiden (Quelle: Nerthuz/Shutterstock.com)

Außerdem ist der vom Lautsprecherchassis bei der Vorwärtsbewegung der Membran erzeugte Schall zwischen der Vorderseite der Membran und der Rückseite phasenverschoben. Daher ist es wichtig, dass der Zuhörer dieses rückwärtige Signal nicht hört, es sei denn, die Kammern kehren seine Phase innerhalb des Lautsprechergehäuses um, bevor es nach vorne projiziert wird. Einige Designs sind hinter den Chassis umgekehrt konisch gestaltet, um diesen für den Zuhörer unerwünschten Schall zu dämpfen. Die Verwendung von Bassverlängerungsröhren oder Röhren, die an der Vorderseite des Gehäuses (Schallwand) angebracht sind, ist ebenfalls üblich. Diese erzeugen Resonanzen bei niedrigeren Frequenzen, um den Frequenzbereich des Gehäuses über seine natürliche Größe hinaus zu erweitern.

Lautsprecherchassis

Der dynamische Lautsprecher ist das am häufigsten verwendete Chassis. Er wird als Wandler für mittlere und tiefe Frequenzen verwendet. In einem solchen Chassis sind ein Permanentmagnet (oft Neodym), eine Schwingspule, ein Rahmen oder Korb und ein Lautsprecherkonus enthalten. Der Konus muss sehr leicht sein, um keine Trägheit (Widerstand gegen Bewegung) zu erzeugen; außerdem muss er starr sein; jede Verzerrung auf der Oberfläche des Konus könnte den erzeugten Ton verändern. In der Vergangenheit gab es eine Vielzahl von Konusmaterialien: von behandeltem Papier (sehr leicht) bis hin zu Aluminium (starr) und Keramikmaterialien. In jüngerer Zeit haben die Hersteller Materialien aus Luft- und Raumfahrt verwendet, die oft eine Golfballtextur aufweisen, um einen reibungslosen Luftdurchgang zu ermöglichen.

Hochtonwandler (Hochtöner) lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: Die dynamische Variante ist wie ihr Tief-Mittelton-Pendant konstruiert, verwendet jedoch bei der Konstruktion unterschiedliche, für den Hochtonbereich optimierte Materialien. Die Hersteller setzen manchmal synthetische Diamanten für ihr Kalottenmaterial ein. Dieses Material ist extrem steif und zudem leicht, so dass es sich nicht verzieht und Luft effizient bewegen kann. Die synthetischen Diamanten werden jedoch in Spezialöfen bei 1.500 °C gezüchtet und sind teuer in der Herstellung. Andere Hochtöner sind als Bändchentypen ausgelegt. Sie besitzen eine ultradünne Metallmembran (das Bändchen), die sich in einem elektromagnetischen Feld bewegt. Da das Gewicht dieser Art von Membranen vernachlässigbar ist, können sie selbst auf kleinste Feinheiten reagieren und so ein sehr detailliertes Bild des eingehenden hochfrequenten Tons liefern. Der Nachteil dieser Art von Hochtönern ist ihre sehr niedrige Impedanz. Dadurch ist ein Transformator erforderlich, um sie an den Verstärker anzupassen. Zudem sind sie teuer und empfindlich.

Zusammenfassung

Die Lautsprecher bleiben das Herzstück unseres Musikhörvergnügens. Die aktiven Lautsprecherdesigns mit ihren integrierten Streaming- und Multi-Room-Fähigkeiten werden im häuslichen Audiobereich immer alltäglicher. Die digitale Raumkompensation und die innovative Chassis-Steuerung können einem kleinen Lautsprecher zu einem wirklich großen Klang verhelfen. Die aktive Architektur gibt dem Designer die Kontrolle über wichtige Parameter wie die Wahl des Chassis,Schutz und die Platzierung der Funktionen im digitalen/analogen Bereich. Das ermöglicht eine Optimierung der Schaltungen, eine reduzierte Verkabelung in diesen Bereichen sowie ein attraktives Gehäusedesign.