Piezokristalle in Lautsprechern: Funktionsweise, Einsatzzweck, Eigenschaften


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Du hast noch nie etwas von Piezo-Lautsprechern gehört, geschweige denn vom piezoelektrischen Effekt? Dann geht es dir sicher wie vielen. Wenn du aber die Unterschiede zwischen kostengünstigen, kompakten Lautsprechern, wie sie etwa in „singenden“ Grußkarten enthalten sind und HiFi-Speakern besser verstehen möchtest, bist du hier richtig! Wir erklären dir, wie ein Piezo-Lautsprecher funktioniert, wo er eingesetzt wird und weshalb Teufel andere Bauarten bevorzugt.

Was ist ein Piezo-Lautsprecher?

Das Prinzip eines Lautsprechers ist klar: Er wandelt elektrische Impulse in Schallwellen um. Ein piezoelektrischer Lautsprecher (kurz: Piezo-Lautsprecher) macht auch genau das, aber auf andere Art als etwa ein elektrodynamischer oder ein elektrostatischer Schallwandler. Der Unterschied liegt sowohl im verwendeten Material als auch in der Bauweise.

Ein Piezo-Schallwandler besteht aus einem Biegewandler und einer sehr dünnen Membran. Der Biegewandler wird aus speziellen Piezokristallen bzw. Piezokeramiken (polykristallin) gefertigt – hierzu eignen sich beispielsweise Quarzkristalle oder ferroelektrische Stoffe wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). An dieses Material wird eine elektrische Wechselspannung angelegt. Durch den piezoelektrischen Effekt kommt es zu einer (geringfügigen) Schwingung, die auf die Membran übertragen wird ­– das Ergebnis sind Schallwellen. Diese werden in der Regel durch ein Horn abgestrahlt und somit verstärkt.

Schematische Darstellung des Piezo-elektrischen Effekts (Quelle Wikipdia)

Piezo-Lautsprecher an sich sind sehr dünn (unter 1 mm) und wiegen weniger als 1 g. Außerdem kommen sie mit einem Durchmesser von gerade einmal 2 cm aus. Selbstverständlich lassen sich bei dieser geringen Größe keine tiefen Töne (unterhalb von ca. 400 Hz) erzeugen. Deshalb werden Piezo-Schallwandler hauptsächlich für Hochtöner verwendet.

Was ist der Piezoeffekt?

Das physikalische Prinzip hinter einem Piezo-Lautsprecher wird durch den piezoelektrischen Effekt (kurz: Piezoeffekt) beschrieben: Wird ein geeignetes Material elastisch verformt, entsteht auf seiner Oberfläche eine elektrische Spannung – und umgekehrt. Dies lässt sich elektroakustisch nutzen, sowohl für Lautsprecher (Spannung wird in Schall umgewandelt) als auch für Mikrofone (Schall wird in Spannung umgewandelt). Verformung und elektrische Ladung verhalten sich hierbei proportional zueinander, was bedeutet, dass eine höhere Spannung auch eine höhere Schallfrequenz (sprich: Tonhöhe) erzeugt. Die auf diese Weise herstellbaren Frequenzen reichen bis in den Ultraschallbereich oberhalb von 20 kHz.

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Einige Anwendungsbereiche für Piezokristalle

Der Piezoeffekt wird in vielen verschiedenen Bereichen genutzt, vor allem dort, wo Schwingungen erzeugt oder in elektrische Signale umgewandelt werden sollen. Ein elektromechanisches Anwendungsbeispiel sind Quarzuhren – diese werden durch piezoelektrische Schwingquarze getaktet. In der Elektroakustik wird das Prinzip beispielsweise für Tonabnehmer angewandt: So werden die Schwingungen von Saiteninstrumenten in Audiosignale umgewandelt. Auch Schallplatten-Tonabnehmer lassen sich auf diese Weise betreiben – man nennt sie dann Kristall- oder Piezo-Tonabnehmer. Nur noch historisch von Interesse sind Piezokristall-Mikrofone. Diese wiesen starke Verzerrungen (Klirren) auf – ein Grund, weshalb sich Kondensator- und dynamische Mikrofone durchgesetzt haben.

Piezo-Lautsprecher werden in aller Regel zur Erzeugung von sehr hohen Tönen eingesetzt, insbesondere für Ultraschall-Anwendungen wie Einparkhilfen, Sonar oder Echokardiografie. Auch in den für Menschen hörbaren Frequenzen unterhalb von 20 kHz kommen sie zum Einsatz, vor allem bei Mobilgeräten wie Smartphones, Notebooks oder Tablets. Als Hochtöner für HiFi-Lautsprecher eignen sie sich jedoch weniger gut.

Fragen & Antworten zu den Eigenschaften von Piezo-Hochtönern

Was ist der Vorteil der Piezo-Bauweise bei Lautsprechern?

Piezo-Schallwandler sind sehr kompakt und zudem kostengünstig herzustellen. Sie lassen sich auch ohne Frequenzweiche betreiben, was eine zusätzliche Ersparnis bringt. Außerdem haben sie einen geringen Energiebedarf und funktionieren auch ohne großes Resonanzvolumen.

Warum sind Piezo-Lautsprecher im HiFi-Bereich weniger gut?

Die Bauweise eines Piezo-Schallwandlers bringt es mit sich, dass es bei Hochtönern zu Verzerrungen kommt, gerade bei höheren Schalldruckpegeln. Piezo-Lautsprecher klingen oft metallisch und schrill. Ihr Frequenzgang ist eher uneben und der Klirrfaktor relativ hoch, sodass sie für HiFi-Anwendungen nicht optimal sind.

Weshalb verwendet Teufel keine Piezokristalle in seinen Lautsprechern und Kopfhörern?

Im HiFi-Bereich wiegen die Vorteile von Piezo-Lautsprechern deren klangliche Nachteile nicht auf. Um eine hohe Klangqualität über den gesamten Frequenzbereich sicherzustellen, setzt Teufel bei seinen HiFi-Lautsprechern und Kopfhörern auf andere Schallwandler-Arten.

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Fazit: Piezo-Lautsprecher sind kostengünstig, aber für den HiFi-Bereich eher ungeeignet

  • Bei einem Piezo-Lautsprecher handelt es sich um eine platz- und kostensparende Bauart für den Hochtonbereich.
  • Das Prinzip beruht auf dem piezoelektrischen Effekt (Piezoeffekt), der auftritt, wenn an ein geeignetes Material (z. B. Quarz oder PZT) elektrische Spannung angelegt wird.
  • Piezo-Schallwandler kommen vor allem bei mobilen Geräten wie Smartphones oder bei Ultraschall-Anwendungen zum Einsatz.
  • Da die klanglichen Eigenschaften von Piezo-Lautsprechern nicht optimal sind, werden sie im HiFi-Bereich nur sehr selten eingesetzt.

Titelbild:  Stefan Riepl (Quark48) / Wikipedia

Grafik: Sonitron Support / Wikipedia

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