Die akustische Kommunikation in Form von Sprache oder Musik gewinnt bei der Mensch-Maschine-Interaktion (Human-Machine-Interface, HMI) zunehmend an Bedeutung. Das gilt auch im industriellen Bereich. Hier können Signaltöne oder Ansagen optische Hinweise ergänzen, vor allem wenn es darum geht, Informationen ohne Sichtkontakt zum Gerät zu übermitteln. Für die verschiedenartigen Anwendungen stehen mehrere Lautsprecherarten zur Auswahl.
Ein klassischer Lautsprecher, auch als dynamischer oder Magnet-Lautsprecher bekannt, besteht im Wesentlichen aus einem Permanentmagneten, der an Schwingspulen angebracht ist. Diese sind wiederum mit mehreren Anschlüssen verbunden. Ein Lautsprecherkorb umringt den Aufbau und spannt eine Papier-, Stoff- oder Plastikmembran auf.
Durch elektrische Impulse (Wechselstrom) entsteht in der Spule ein Magnetfeld, das die Membran zum Schwingen bringt. Diese Schwingungen bilden die akustischen Signale, die das menschliche Ohr aufnimmt.
Bei dieser Lautsprecherart erfordert die Physik, vor allem der Schalldruckpegel (SPL), eine gewisse Geometrie. Das macht den Lautsprecher häufig zum begrenzenden Faktor, der verhindert, dass ein Gerät schmaler werden kann.
Piezoelektrische Lautsprecher
Piezoelektrische Lautsprecher hingegen sind auch in dünner Bauform erhältlich. Sie benötigen keine Schwingspule, um Schall zu erzeugen, sondern nutzen den Piezoeffekt: Das bewährte piezo-keramische Basismaterial wird meist auf ein Messing- oder Nickelplättchen geklebt und durch Spannungszufuhr zum Schwingen gebracht. Im Gegensatz zu dynamischen Lautsprechern mit einer Bauhöhe von mindestens vier Millimetern kommen sie auf maximal einen Millimeter.
Eine weitere Variante sind Multilayer-Piezo-Lautsprecher. Sie bestehen nicht nur aus einer Keramik, sondern aus mehreren Schichten, so dass jede unterschiedliche Frequenz-Spektren filtert. Dadurch erzielen sie ein besseres Klangbild.
Zu den flachsten Lautsprechern der Welt gehört der PiezoListen von TDK: Mit einer Höhe von nur 0,49mm lässt er sich auf glatte Oberflächen einfach aufkleben und bringt diese dann zum Schwingen. So verwandelt er praktisch jede Oberfläche in einen Lautsprecher, etwa ein Display, einen Tisch, einen Spiegel oder das Kunststoffgehäuse einer Applikation. Der PiezoListen erzielt auch bei niedrigen Spannungen von 24Vp-p oder weniger einen hohen Schalldruck.
Angetriggert und gesteuert wird der Multilayer-Piezo-Lautsprecher genau wie ein dynamischer Lautsprecher mit einem IC-Verstärker.
Verstärkerschaltungen
Verstärkerschaltungen für Lautsprecher müssen vor allem drei Aspekte berücksichtigen: die Musikbelastbarkeit, die Impedanz und den Frequenzbereich.
Die Musikbelastbarkeit – also die Kurzzeitbelastung, die ein Lautsprecher durch ein Verstärker-Signal aushält, ohne Schaden zu nehmen – erstreckt sich bei Miniaturlautsprechern von einigen 100mW bis zu einigen Watt.
Die Impedanz von Magnet-Lautsprechern beträgt meist 4, 8 oder 16 Ohm. Damit hat sie erheblichen Einfluss auf die Musikleistung und spielt auch bei der Verstärkerschaltung eine große Rolle: Wird ein Lautsprecher mit höherer Impedanz als empfohlen an den Verstärker angeschlossen, kann seine Leistung abnehmen, d.h. der Ton wird leiser. Andererseits kann es bei zu geringer Impedanz zu Klangeinbußen kommen oder der Verstärker schaltet wegen Überlastung sogar ab.
Während Magnet-Lautsprecher eine induktive Last darstellen, sind keramische eine kapazitive. Das heißt: Sie haben eine deutlich höhere Impedanz, die mit zunehmender Frequenz abnimmt. Der Verstärker muss also größere Ströme liefern und er darf den Strom bei gleichbleibender Spannung nicht begrenzen, wenn der Lautsprecher Signale mit Hochfrequenzinhalt erhalten soll.
Der Frequenzbereich wird in höheren Leistungsklassen aufgeteilt, das Signal geht dann an Hochton-, Mittelton-, und Basslautsprecher. Im Kleinleistungsbereich kommt ein einzelner Breitbandlautsprecher zum Einsatz, so dass man u.a. auf die Frequenzweichen verzichten kann.
Dynamische Lautsprecher haben einen relativ geringen Wirkungsgrad. Ihre Schwingspulenwicklung kann als Festwiderstand in Serie mit einer hohen Induktivität betrachtet werden. Sie weist ein ohmsches Verhalten auf, ein Großteil der Wirkleistung wird als Wärme abgeführt. Der Verstärker muss dementsprechend eine Mehrleistung zur Verfügung stellen – ein Nachteil vor allem bei batteriebetriebenen Anwendungen.
Beim Keramiklautsprecher überwiegt aufgrund seiner kapazitiven Natur der Blindleistungsanteil, der wenig Wärme erzeugt. Jedoch wird in der Ausgangsstufe der Verstärkerschaltung viel Wirkleistung verbraucht, was hier den Wirkungsgrad bestimmt. Anstelle herkömmlicher Verstärker der Klasse AB empfehlen sich hier heutzutage andere Topologien, wie Verstärker der Klasse G oder D, um eine höhere Effizienz zu erzielen.
Als Endstufe des Audioverstärkers eignet sich ein Gegentaktverstärker aus Transistoren. Bei einem Kleinlautsprecher mit einem guten Wirkungsgrad genügen einfache Standard-Transistoren und Elektrolytkondensatoren, um eine akzeptable Lautstärke zu erreichen.
Für mittlere Leistungen sind z.B. die komplementären Transistoren BCP5616 und BCP5316 von Diodes gut geeignet, als Elektrolytkondensatoren z.B. der EEEFK1V101XP von Panasonic.
Integrierte Schaltungen
Oft ist es jedoch effektiver, integrierte Schaltungen zum Aufbau einfacher Verstärkerschaltungen zu nutzen. Diese Audioverstärker-ICs steuern und erhöhen das Audiosignal und sorgen so für einen lauteren, saubereren und hochwertigeren Klang. Sie sind in kleinen Gehäusen verfügbar und z.B als Digitalverstärker- oder Operationsverstärker-Typ bereits in vielen Applikationen wie Fernsehern, Computern oder Home-Audiogeräten mit Mono- oder Stereoton zu finden. Die meisten Audioverstärker-ICs sind speziell auf dynamische Lautsprecher ausgerichtet (z.B. NJU8759 von JRC), es gibt jedoch auch Modelle für piezoelektrische Lautsprecher mit integrierter Ladungspumpe (z.B. NJW1280 von JRC).
Lautsprechergehäuse
Liegt das verstärkte Audiosignal nun an der Schwingspule oder dem Piezoelement an, werden Schalldruckwellen erzeugt. Bei Vorwärtsbewegung der Membrane entsteht an der Vorderseite der Membrane ein leichter Überdruck, an der Rückseite ein Unterdruck und umgekehrt.
Um Auslöschungen zu vermeiden und damit den Schallpegel deutlich zu erhöhen, sollte die Vorder- und Rückseite des Lautsprechers akustisch isoliert werden. Hierfür muss das Gehäuse entsprechend konstruiert werden. Eine komfortable Alternative sind fertige Miniaturlautsprecher inklusive Gehäuse.
Oft steht jedoch wenig Platz für die Lautsprecher zur Verfügung. Dann gilt es, das verfügbare Volumen optimal zu nutzen, um eine gute Audioqualität mit bestmöglichem Schalldruck zu erreichen. Das lässt sich mit einem möglichst rechteckigen Gehäuse realisieren, das vorne und hinten dem Lautsprecherdurchmesser entspricht. Auch ein Horn bzw. Trichter hat schallverstärkende Wirkung.
Grundsätzlich gilt für die Gehäusekonstruktion:
- Die Lautsprechermembrane darf bei Maximalauslenkung nicht an der Frontplatte anschlagen.
- Mit Schaumstoff zwischen Lautsprecherrahmen und Gehäuse lassen sich Vibrationen vermeiden. Zudem wird verhindert, dass sich der Schall von hinten nach vorne ausbreitet.
- Ein maximal großer Hohlraum hinter dem Lautsprecher sorgt für eine höhere Lautstärke und eine bessere Klangqualität. Oft lohnen sich hierfür ausgeklügelte Konstruktionen.
Fazit
Sowohl die Wahl des Lautsprechertyps als auch die Verstärkerschaltung und das Gehäuse beeinflussen Größe und Klangqualität des Lautsprechers. Doch inzwischen stehen für praktisch alle Anforderungen und Bauraumbegrenzungen Lösungen zur Verfügung.
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