Dass aus einem Lautsprecher Töne kommen, dürfte selbst Nicht-Audiophilen klar sein. Aber wie funktioniert eine Lautsprecher-Box eigentlich, wie werden Audio-Daten in Klangereignisse umgesetzt? Wir erläutern dir die einzelnen Schritte von der Verarbeitung des Musiksignals bis zum Schwingen der Lautsprecherspule.
Musikdaten werden zu elektrischen Impulsen
Wie funktioniert ein Lautsprecher? Man kann es so auf den Punkt bringen: Er wandelt codierte Audiosignale in Schallwellen um – deswegen bezeichnet man ihn auch als Schallwandler. Die Daten können wie auf einer Schallplatte analog oder wie bei CD oder MP3 digital vorliegen.
Jedoch gibt es keinen Lautsprecher, der etwas mit digitalen Daten anfangen kann. Aus diesem Grund muss der binäre Code vorher in ein analoges Signal – genauer gesagt in Wechselspannung – umgewandelt werden. Das erfolgt über einen Digital-Analog-Wandler (DAC), der häufig bereits in Wiedergabegeräten integriert ist. Für analoge HiFi-Anlagen und andere Einsatzbereiche sind externe Wandler im Handel erhältlich.
Das Stromsignal muss zum richtigen Schallwandler
Sobald die Audiodaten als Stromimpulse vorliegen, geht die Aufbereitung für die Lautsprecher weiter. Lautsprecher im HiFi- und Heimkino-Bereich sind meist als Mehrkanallautsprecher konzipiert. Das bedeutet, dass in einem Gehäuse zwei, drei oder sogar vier Schallwandler integriert sind. Jeder Schallwandler ist für einen bestimmten Frequenzbereich zuständig. Dabei ist häufig auch von Tief-, Mittel- und Hochtönern die Rede.
Die als Wechselspannung vorliegenden Stromimpulse müssen nun ihrer Frequenz entsprechend zu den ihnen zugeordneten Schallwandlern geleitet werden. Dafür ist die Frequenzweiche zuständig. Je nach System kann diese innerhalb oder außerhalb des Lautsprechergehäuses untergebracht sein. Sie besteht aus einer Anordnung von Widerständen, Kondensatoren und Spulen. Während Kondensatoren höhere Frequenzen weiterleiten, werden diese von Spulen gekappt. Bei welchen Frequenzbereichen die Trennung erfolgt, ist je nach Lautsprecher unterschiedlich.
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Der Verstärker greift dem Signal unter die Arme
Jetzt fehlt nur noch ein Schritt, damit die Schallwandler die Stromimpulse in Schallereignisse umwandeln können: Das Signal ist normalerweise zu schwach, um die Lautsprecher zu befeuern. Aus diesem Grund wird ein Verstärker (Amplifier) vorgeschaltet.
Das aus den gespeicherten Audiodaten generierte Stromsignal dient bei einem bipolaren Transistor, wie er in den meisten Verstärkern eingesetzt wird, als Steuersignal. Es regelt die Spannung des Stroms, der durch den Verstärker fließt. Ein Verstärker kann seinen Strom beispielsweise aus der Steckdose oder einem Akku beziehen. Wie dieses Prinzip im Einzelfall umgesetzt wird, hängt vom Verstärker ab. Man unterscheidet zwischen verschiedenen Verstärkerklassen. Bei sogenannten Aktivlautsprechern sind der Verstärker und häufig auch die (aktiven oder passiven) Frequenzweichen in den Lautsprecher integriert.
Das Schwingen beginnt
Nachdem die Musikdaten in analoge Signale umgewandelt, zu den richtigen Schallwandlern gelenkt und verstärkt wurden, kann ein Lautsprecher endlich Schallereignisse erzeugen.
Das erfolgt immer nach dem gleichen Prinzip:
- Eine Lausprechermembran wird in Schwingungen versetzt.
- Diese Schwingungen verändern den Luftdruck in der unmittelbaren Umgebung.
- Die Luftdruckveränderungen wandern als Schallwellen durch den Raum zu unserem Ohr.
- Die Frequenzhöhe des Schallereignisses wird über die Schwingungsfrequenz der Lautsprechermembran gesteuert.
Der Antrieb der Membran erfolgt in der Regel über eine bewegliche Schwingspule und einen festverbauten Dauermagnet. Das Verfahren basiert auf dem elektrodynamischen Prinzip und wurde erstmals in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts eingesetzt. Dabei durchfließt das verstärkte Wechselstromsignal die Schwingspule und erzeugt ein magnetisches Feld. Die Spule ist nach vorne und hinten beweglich und besteht in der Regel aus einem leitenden Draht und einem Träger.
Video Tutorial: So funktionieren Lautsprecher
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Der Wechselstrom polt die Spule laufend um. Da sich diese innerhalb des Magnetfelds des Dauermagneten befindet, wird sie angezogen und abgestoßen. Die dabei wirkende Kraft wird als Lorentzkraft bezeichnet. Der Magnet besteht in der Regel aus Ferrit oder Neodym. Die Frequenz der Umpolung des Stroms bestimmt die Frequenz, mit der die Spule an- und abgestoßen wird – und damit, wie schnell die Lautsprechermembran schwingt.
Diese Animation zeigt anschaulich den Aufbau eines Lautsprechers:
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Die Lautsprechermembran schiebt die Luft an
Die Membran eines Lautsprechers ist so verbaut, dass sie die Bewegungen der Spule exakt mitvollzieht. Dafür ist sie zum einen an der Schwingspule und zum anderen an Sicke und Spinne befestigt. Diese elastischen Bauteile gewährleisten ähnlich wie Federn, dass sich die Membran stets in ihre Ausgangsposition zurückbewegt. Durch ihr Schwingen schiebt sie die Luft in ihrer Umgebung an. Und diese Veränderungen des Luftdrucks breiten sich letztlich im Raum als Schallwellen aus.
Wie bereits erwähnt, werden je nach Frequenzbereich andere Schallwandlerarten eingesetzt. Ein entscheidender Grund dafür ist, dass Schallwellen bei tiefen Frequenzen deutlich länger sind als bei mittleren und hohen Frequenzen. Für Bässe sind daher große Membranen mit schweren Schwingspulen geeignet, um ein entsprechend großes Luftvolumen anzuschieben. Für höhere Frequenzen wären sie dagegen zu träge. Daher ist der Membrandurchmesser bei Mittel- und Hochtönern deutlich kleiner.
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Fazit: Am Ende muss es schwingen
- Die Musikdaten liegen entweder in analoger oder digitaler Form vor.
- Sie werden in Stromimpulse umgewandelt.
- Ein Verstärker erhöht die Stärke der Stromimpulse, sodass sie die Lautsprechermembran antreiben können.
- Der Wechselstrom bringt eine Schwingspule in Bewegung, die sich im magnetischen Feld eines Dauermagneten befindet.
- An der Schwingspule ist die Lautsprechermembran befestigt. Sie nimmt die Frequenz der Stromimpulse auf, schwingt mit und erzeugt auf diese Weise Schallwellen.
