Impedanzverlauf und Lautstärke

Zum einen verändert sich die Lautstärke teilweise sehr stark mit der Frequenz.

Eine Besonderheit sind die Resonanzmaxima bei den Resonanzfrequenzen: Hier halten sich Wirkungsgrad und Widerstand die Waage, genauer gesagt: Der Wirkungsgrad erhöht sich und erhöht damit im gleichen Maße den Widerstand. Hierdurch bleibt der erzielte Schallpegel (ziemlich) konstant -- von weiteren Störeffekten einmal abgesehen...

axim schrieb:

Nun meine Frage: Die Lautstärke müsste doch so je nach Frequenz auch variieren? Die Impedanz schwankt ja oft von Beginn bis Ende um Faktor 2-4. Wieso scheint es dann, als sei die Lautstärke immer gleichmäßig? Bei mehr Strom wird doch die Schwingspule von der Amplitude her stärker ausgelenkt? Oder kompensiert sich dass mit mechanischer Dämpfung? Angenommen natürlich man hört sich nur Sinustöne an?

Hallo axim,

es ist richtig, der Strom ändert sich in Abhängigkeit von der Frequenz. Der Schalldruck ist allerdings nicht abhängig vom Strom sondern von der Spannung, die an den Lautsprecherklemmen anliegt. Damit die Spannung nicht durch den Strom zusammenbricht, hat der Verstärker einen geringen Ausgangswiderstand. Weil auch der Widerstand der Lautsprecherkabel in der Regel sehr gering ist, ist die Spannung an den Lautsprecherklemmen und somit der Schalldruck nur im geringem Maße vom Strom abhängig. Das Ganze nennt man dann Spannungsanpassung.

Meist wird der Ausgangwiderstand des Verstärkers nicht angeben sondern der Dämpfungsfaktor, aus dem sich der Ausgangswiderstand leicht berechnen lässt:

Ausgangswiderstand = 8Ω bzw. 4Ω / Dämpfungsfaktor

Übrigens gibt es hier im Forum einen Kabelrechner, mit dem Du den Einfluss der Lautsprecherimpedanz und auch des Kabels ermitteln kannst.

Hierzu führst Du einmal die Berechnung mit der minimalen und dann noch mit der maximalen Lautsprecherimpedanz durch. Die Differenz zwischen den beiden errechneten Dämpfungswerten zeigt den Einfluss der Lautsprecherimpedanz.

Beispiel ein einfaches Lautsprecherkabel, 1,5 mm², 5 m lang, einer Induktivität von 600 nH/m mit einem Lautsprecher, dessen Lautsprecherimpedanz zwischen 2 und 6 Ω liegt. Der Verstärker weist ein Dämpfungsfaktor von 100 (bei 4 Ω) auf.

Zuerst wird der Frequenzgang bei 6 Ω und anschließend bei 2 Ω berechnet

Lautsprecherimpedanz = 6 Ω


Lautsprecherimpedanz = 2 Ω


Wenn die Diagramm ein bissel klein sind, so klicke sie einfach an, um eine gezoomte Darstellung zu erhalten. Die Diagramme gehen bis 100 kHz, interessant sind aber besonders die Werte im hörbaren Bereich also bis 20 kHz. Berücksichtige bitte, dass die Skalierung der Diagramme unterschiedlich ist.

Du siehst, dass sich die Grunddämpfung um ca. 0,5 dB unterscheidet. Dass ist also die Pegelschwankung, die die schwankende Lautsprecherimpedanz (2 und 6 Ω) ausmacht. Hinzu kommt noch der Pegelabfall durch die Leitungsinduktivität. Die Grunddämpfung lässt sich verringern, indem man Kabel mit größerem Querschnitt nimmt. Dies kannst Du ja selber mit dem Kabelrechner ermitteln.


Gruß

Uwe

Ah bis auf eine Sache verstehe ich das.

Das mit dem Innenwiderstand ist mir klar. Und bei -0.2db z.B. entspricht das ja bis auf einen Bruchteil noch dem Originalsignal. Also habe ich einfach eine sehr gute, niederohmige Strom bzw. Spannungsquelle -> die Spannung muss fast vollständig am Lastwiderstand, also am LS selber abfallen.

Physikalisch ist mir nur eins noch nicht klar:
Wieso bewegt sich die Membran entsprechend der Spannung am Lautsprecher? Wenn ich mir diese Schwingspule vorstelle, bildet sich doch bei größerem Strom ein größeres magnetisches Feld auf, und somit müsste doch die Membran stärker ausgelenkt werden (da das Magnetfeld ja vom fließenden Strom abhängt). Wieso aber kommt es hier nur auf die Spannung an?

Danke schonmal auf jeden Fall! Besonders die Kurven sind gut. Kann man richtig was lernen!

axim schrieb:

Physikalisch ist mir nur eins noch nicht klar: Wieso bewegt sich die Membran entsprechend der Spannung am Lautsprecher? Wenn ich mir diese Schwingspule vorstelle, bildet sich doch bei größerem Strom ein größeres magnetisches Feld auf, und somit müsste doch die Membran stärker ausgelenkt werden (da das Magnetfeld ja vom fließenden Strom abhängt). Wieso aber kommt es hier nur auf die Spannung an?

Hallo axim,

dies hat zwei Gründe. Der Hersteller hat den Lautsprecher natürlich so abgestimmt, dass der Schalldruck möglichst linear mit der Spannung zusammen hängt. Der andere Grund ist, dass die starken Impedanzschwankungen durch die Frequenzweichen bei den Übernahmefrequenzen auftreten und kein Lautsprecherchassis bei diesen Übernahmefrequenzen ideal abstrahlt. Hier ist es gerade die Kunst des Entwicklers, einen möglichst linearen Frequenzgang der Lautsprecherbox zu realisieren.


Gruß

Uwe

Spannung am Lautsprecher und Strom durch die Spule sind einander proportional. Sonst würde dieser nicht gut funktionieren.
Die Propoprtionalitätskonstante (Impedanz) ist aber bei jeder Frequenz anders. Daraus folgen die linearen Verzerrungen, die man mit der Weiche etwas korrigiert. Der Strom hängt von der Bremswirkung der Spule ab. Je stärker sie im Magnetfeld mechanisch gebremst wird (durch Membrane, Aufhängung und Gehäuseluft) desto mehr strom fliesst durch sie.
bei der Resonanzfrequenz ist die Spule am wenigsten gebremst, deswegen fliesst da bei gegebener Spannung der geringste Strom (Impedanzmaximum).

Hi,

die antreibende KRAFT auf die Membran hängt ausschließlich vom Strom ab:

F = BL * I

Bei der Resonanzfrequenz (= höhere Impedanz) fliesst zwar weniger Strom, ab da die Membran da fast schon von alleine schwingt (ist halt ne mechanische Resonanzfrequenz) kompensiert sich das weitestgehend.

Lautsprecherchassis werden so konstruiert, dass sie bei konstanter Eingangsspannung einen linearen Frequenzgang haben. Eigentlich müssten sie wegen der Schwingspuleninduktivität nach hohen Frequenzen konstant abfallen, tun das aber in der Regel nicht weil sie zunehmend bündeln. Oft heben sich beide Effekte in einem weiten Frequenzbereich auf.

Bei komnpletten Lautsprecherboxen sieht die Impedanz oft abenteuerlich aus. Hier kommen die Einflüsse der Frequenzweiche hinzu. Oft ist es erwünscht, den ansteigenden Frequenzgang eines Chassis elektrisch zu kompensieren (bzw. einen leicht abfallenden Frequenzgang zu konstruieren) und dann steigt die Impedanz der Kombination Lautsprecher + Weiche z.B. an. Da wird es dann unübersichtlich, muss man sich aber keinen Kopp machen . . .

Gruß Pico

Vielen Dank für eure Antworten!
Dann liegt hier also mit die größte Kunst des Lausprecherbaus begraben. Dann waren meine Ideen ja gar nicht so falsch, doch einmal genauer über das Ganze nachzudenken
Das mit der Resonanzfrequenz erscheint mir auch logisch, da die Spule wenn sie, ohne viel Energie zu verlieren, schwingt, auch eine große Gegeninduktiuon hat und somit dem Strom entgegen wirkt.
Habe ich ja wieder etwas gelernt Vielen dank für eure Hilfe!

Um einen bestimmten Schalldruck zu erreichen, braucht es Leistung. Dies ist mal das Grundsätzliche. Daher sind alle Aussagen über Strom und Spannung nur bedingt richtig. Denn selbst wenn wir Strom und Spannung betrachten, ergibt dies nicht unbedingt die entscheidende Wirkleistung, weil durch die Induktivität der Schwingspule Phasenverschiebungen entstehen.
Dies mal zum Ersten.

Zweitens hängt der momentane Wirkungsgrad von der Bedämpfung ab. Wenn etwa die Eigenresonanz stark bedämpft ist, darf für eine lineare Wiedergabe Impedanz nicht stark ansteigen. Was also aus der zugeführten Leitung an Schalldruck entsteht, hängt vom Wirkungsgrad und damit von der Bedämpfung ab.

Und drittens sind die heutigen Lautsprecher in der Regel auf eine konstante Spannung gezüchtet. Das bedeutet, dass ein Verstärker eine Spannung liefern soll, möglichst unabhängig vom Strom. Er hat also üblicherweise einen kleinen Ri und damit einen hohen Dämpfungsfaktor.

Früher war die Sache etwas anders. Zu Röhrenzeiten war es sehr schwer, Geräte mit hohem DF zu bauen (Ausnahmen bestätigen die Regel). Da lag meist der Innenwiderstand in der Grössenordnung der Lautsprecherimpedanz, der DF also bei 1.

Wenn man das weiss, kann man das Lautsprecherchassis auf diese geringe Bedämpfung auslegen, genau wie man es für Schallwände oder geschlossene Boxen oder Hornkonstruktionen optimieren kann und muss.

Es ist daher durchaus möglich, dass man mit alten Lautsprechern (Saba Greencone) an einfach gebauten Röhrenverstärkern einen guten Klang bekommt, den diese Lautsprecher an einem Transistorverstärker nicht bringen.
Andererseits klingt aber eine moderne Boxenkonstruktion möglicherweise am Röhrenverstärker nicht so sauber, wie sie dies am Transistor tut.