Dynamischer Lautsprecher

Der dynamische Lautsprecher ist der am häufigsten verwendete elektroakustische Wandler für die Schallerzeugung. Er besteht aus einer beweglichen Membran mit einer daran befestigten Schwingspule, die sich in einem starken Magnetfeld bewegt.

1. Funktionsprinzip

Das Arbeitsprinzip beruht auf der elektromagnetischen Kraftwirkung: Fließt ein Strom durch die in einem Magnetfeld befindliche Schwingspule, entsteht eine Lorentzkraft:

$F = B \cdot l \cdot I$

wobei:

• $B$ = magnetische Flussdichte (Tesla)
• $l$ = Länge des stromdurchflossenen Leiters (m)
• $I$ = Strom durch die Spule (A)

2. Mechanisch-elektrische Analogie

Der dynamische Lautsprecher kann durch die FI-Analogie beschrieben werden, bei der mechanische und elektrische Größen über einen idealen Transformator gekoppelt sind.

2.1. Elektrische Seite

• Gleichstromwiderstand $R_e$ der Schwingspule
• Induktivität $L_e$ der Schwingspule
• Kraftfaktor $B \cdot l$ als Transformatorübersetzung

2.2. Mechanische Seite

• Masse $M_m$ der Membran und Schwingspule
• Nachgiebigkeit $C_m$ der Aufhängung (mechanische Compliance)
• Dämpfung $R_m$ (mechanische Verluste)

3. Resonanzverhalten

Die mechanische Resonanzfrequenz des freischwingenden Systems beträgt:

$f_s = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{1}{M_m \cdot C_m}}$

Bei dieser Frequenz erreicht die Membranbewegung und damit der Schalldruck ihr Maximum.

4. Gehäuseeinfluss

4.1. Geschlossenes Gehäuse

Das eingeschlossene Luftvolumen wirkt als zusätzliche Feder mit der Steifigkeit:

$C_{box} = \frac{V_{box}}{\rho c^2}$

Die Gesamtsteifigkeit wird: $C_{tot}^{-1} = C_m^{-1} + C_{box}^{-1}$

Dies führt zu einer Erhöhung der Resonanzfrequenz und einem Hochpassverhalten 2. Ordnung.

Bassreflex-System

Durch Hinzufügen einer Öffnung (Port) entsteht ein Helmholtz-Resonator, der die Basswiedergabe erweitert.

5. Frequenzgang-Charakteristika

Der Frequenzgang wird bestimmt durch:

• Untere Grenzfrequenz: Resonanzfrequenz des Gesamtsystems
• Mittlerer Bereich: Relativ linearer Verlauf
• Obere Grenzfrequenz: Begrenzt durch Membranaufbruch und Richtcharakteristik

6. Anwendungen

Dynamische Lautsprecher werden eingesetzt als:

• Tieftöner (Woofer): 20 Hz - 500 Hz
• Mitteltöner: 500 Hz - 5 kHz
• Hochtöner (mit geringerer Verbreitung): bis 20 kHz

Die meisten Mehrwegsysteme verwenden Kalotten-Hochtöner für den oberen Frequenzbereich aufgrund besserer Richteigenschaften.