Tieftöner

Ein Tieftöner ( Woofer ) ist die technische Bezeichnung für einen Lautsprechertreiber zur Wiedergabe tiefer Frequenzen , typischerweise von 50 bis 200 Hz . Der Name leitet sich vom lautmalerischen englischen Wort für das tiefe Bellen eines Hundes ab, „ woof “ ^{[ 1 ]} (im Gegensatz zum Hochtöner , der für Lautsprecher zur Wiedergabe hoher Frequenzen verwendet wird und sich vom schrillen Gesang von Vögeln, „ tweet “, ableitet). Die gängigste Bauart für Tieftöner ist der elektrodynamische Treiber, der typischerweise eine steife Papiermembran verwendet , die von einer Schwingspule angetrieben wird, welche von einem Magnetfeld umgeben ist .

Die Schwingspule ist mittels Klebstoffen an der Rückseite der Lautsprechermembran befestigt. Schwingspule und Magnet bilden einen linearen Elektromotor . Fließt Strom durch die Schwingspule, bewegt sich diese relativ zum Gehäuse gemäß der Linken-Hand-Regel für Motoren . Dadurch drückt oder zieht die Spule die Membran wie ein Kolben. Die resultierende Membranbewegung erzeugt Schallwellen .

Bei normalem Schalldruckpegel (SPL) können die meisten Menschen Frequenzen bis etwa 20 Hz hören. ^{[ 2 ]} Tieftöner werden üblicherweise verwendet, um die tiefsten Oktaven des Frequenzbereichs eines Lautsprechers abzudecken. In Zwei-Wege-Lautsprechersystemen müssen die Treiber, die die tiefen Frequenzen wiedergeben, auch einen wesentlichen Teil des Mitteltonbereichs abdecken, oft bis zu 800 bis 1000 Hz; solche Treiber werden üblicherweise als Mitteltöner bezeichnet . Seit den 1990er Jahren hat sich ein Tieftönertyp, der ausschließlich für sehr tiefe Frequenzen ausgelegt ist – der Subwoofer –, in Heimkino- und PA-Systemen etabliert, um die Basswiedergabe zu verstärken . Der Frequenzgang von Subwoofern liegt im Allgemeinen zwischen 45 und 100 Hz, wobei größere, professionelle Subwoofer, wie sie beispielsweise auf Open-Air-Festivals eingesetzt werden, Frequenzen bis zu 20 Hz erreichen können. ^{[ 3 ]}

Ein gut konstruierter Tieftöner erfordert die effektive Umwandlung eines niederfrequenten Verstärkersignals in mechanische Luftbewegung mit hoher Klangtreue und akzeptablem Wirkungsgrad. Die Notwendigkeit eines Lautsprechergehäuses zur Ankopplung der Membranbewegung an die Luft wird dabei sowohl erleichtert als auch erschwert. Bei gelungener Konstruktion lassen sich viele andere Probleme der Tieftönerkonstruktion (z. B. Anforderungen an den linearen Hub) reduzieren.

In den meisten Fällen müssen Tieftöner und Gehäuse aufeinander abgestimmt sein. Üblicherweise wird das Gehäuse an die Eigenschaften des oder der verwendeten Lautsprecher angepasst. Die Gehäusegröße hängt von den längsten Wellenlängen (tiefsten Frequenzen) ab, die wiedergegeben werden sollen, und das Tieftönergehäuse ist deutlich größer als für Mittel- und Hochtonbereiche erforderlich .

Eine Frequenzweiche , passiv oder aktiv, filtert den Frequenzbereich, der vom Tieftöner und den übrigen Lautsprechern wiedergegeben wird. Normalerweise wandelt die Frequenzweiche zusammen mit dem Lautsprechersystem, einschließlich des Tieftöners, das vom Verstärker gelieferte elektrische Signal in ein akustisches Signal mit identischer Wellenform um, ohne dass es zu weiteren Wechselwirkungen zwischen Verstärker und Lautsprechern kommt. Manchmal sind Verstärker und Lautsprecher jedoch so ausgelegt, dass die Lautsprecher eine verzerrungskorrigierende Gegenkopplung an den Verstärker liefern.

Die Entwicklung und Herstellung von Tieftönern birgt viele Herausforderungen. Die meisten betreffen die Kontrolle der Membranbewegung, sodass das elektrische Signal an die Schwingspule des Tieftöners originalgetreu durch die von der Membranbewegung erzeugten Schallwellen wiedergegeben wird. Zu den Problemen gehören die saubere Dämpfung der Membran ohne hörbare Verzerrungen, um ein Nachschwingen zu verhindern , wenn das Eingangssignal in jedem Zyklus auf Null abfällt, sowie die verzerrungsarme Bewältigung hoher Auslenkungen (die üblicherweise zur Wiedergabe lauter Töne erforderlich sind). Eine weitere Herausforderung besteht darin, dem Verstärker eine über den gesamten Frequenzbereich nahezu konstante elektrische Impedanz bereitzustellen .

Eine frühe Version des heute weit verbreiteten Bassreflex-Gehäusedesigns wurde 1932 von Albert L. Thuras von den Bell Laboratories patentiert. ^{[ 4 ]}

1965 stellte Sennheiser Electronics das Philharmonic-Soundsystem vor, das mithilfe von Elektronik einige Probleme herkömmlicher Tieftöner-Subsysteme beheben sollte. Dazu wurde dem Tieftöner ein Bewegungssensor hinzugefügt, dessen Signal – entsprechend seiner tatsächlichen Bewegung – als Steuereingang für einen speziell entwickelten Verstärker diente. Bei sorgfältiger Umsetzung konnte die Leistung (sowohl hinsichtlich Präzision als auch Tieftonwiedergabe) deutlich verbessert werden, allerdings auf Kosten der Flexibilität (Verstärker und Lautsprecher sind fest miteinander verbunden) und der Kosten.

Da die Kosten für Elektronik gesunken sind, ist es üblich geworden, in preiswerten Musikanlagen, Ghettoblastern oder sogar Autoradios mit Sensoren ausgestattete Tieftöner zu verbauen. Dies geschieht meist in dem Versuch, die Leistung preiswerter oder unterdimensionierter Treiber in leichten oder schlecht konstruierten Gehäusen zu verbessern. Dieser Ansatz birgt jedoch Schwierigkeiten, da sich nicht alle Verzerrungen durch Servotechnik beseitigen lassen und ein schlecht konstruiertes Gehäuse die Vorteile jeglicher elektronischer Korrektur zunichtemachen kann.

Da die Eigenschaften eines Lautsprechers messbar und weitgehend vorhersagbar sind, ist es möglich, spezielle Schaltungen zu entwickeln, die die Mängel eines Lautsprechersystems teilweise ausgleichen.

Equalizer-Techniken kommen in den meisten Beschallungs- und Verschallungsanwendungen zum Einsatz . Hierbei geht es weniger um HiFi-Wiedergabe als vielmehr um die Optimierung der Raumakustik. In diesem Fall muss der Equalizer individuell an die spezifischen Eigenschaften der verwendeten Lautsprechersysteme und des jeweiligen Raumes angepasst werden.

Computertechniken, insbesondere die digitale Signalverarbeitung (DSP), ermöglichen eine höhere Präzision bei Frequenzweichen. Durch den Einsatz von FIR-Filtern ( Finite Impulse Response ) und anderen digitalen Verfahren lassen sich die Frequenzweichen für bi- oder tri-verstärkte Systeme mit einer Präzision realisieren, die mit analogen Filtern – ob passiv oder aktiv – nicht erreichbar ist. Darüber hinaus können viele Eigenheiten von Treibern (bis hin zu individuellen Abweichungen) gleichzeitig behoben werden, wie beispielsweise in den jüngsten Entwicklungen von Klein und Hummel . Dieser Ansatz ist komplex und wird daher voraussichtlich nicht bei kostengünstigeren Geräten Anwendung finden.

Alle Membranmaterialien haben Vor- und Nachteile. Die drei wichtigsten Eigenschaften, auf die Entwickler bei Membranen achten, sind geringes Gewicht, Steifigkeit und Klangneutralität ( durch Vermeidung von Nachhall ). Exotische Materialien wie Kevlar und Magnesium sind leicht und steif, können aber je nach Herstellung und Konstruktion Nachhallprobleme verursachen. Materialien wie Papier (einschließlich beschichteter Papiermembranen) und verschiedene Polymere klingeln im Allgemeinen weniger als Metallmembranen, sind aber schwerer und weniger steif. Es gibt sowohl gute als auch schlechte Tieftöner, die mit jedem beliebigen Membranmaterial hergestellt wurden. Nahezu jedes Material wurde bereits für Membranen verwendet, von Glasfaser und Bambusfaser über expandierte Aluminium-Wabenkerne bis hin zu mit Glimmer gefüllten Kunststoffmembranen.

Der Rahmen, auch Korb genannt, hält Membran, Schwingspule und Magnet in der richtigen Position. Da der Luftspalt der Schwingspule sehr schmal ist (typischerweise im niedrigen Tausendstel-Zoll-Bereich), ist Steifigkeit wichtig, um ein Reiben der Schwingspule an der Magnetstruktur im Luftspalt und unerwünschte Bewegungen zu verhindern. Es gibt zwei Haupttypen von Metallrahmen: gestanzte und gegossene. Gestanzte Körbe (meist aus Stahl) sind kostengünstiger. Ihr Nachteil ist, dass sich der Korb bei hohen Lautstärken verbiegen kann, da er nur in bestimmten Richtungen Widerstand bietet. Gegossene Körbe sind zwar teurer, aber in der Regel in alle Richtungen steifer, weisen eine bessere Dämpfung auf (wodurch die Eigenresonanz reduziert wird), ermöglichen komplexere Formen und werden daher meist für hochwertige Treiber bevorzugt.

Eine wichtige Spezifikation für Tieftöner ist ihre Belastbarkeit, also die Leistung, die der Tieftöner ohne Beschädigung verkraften kann. Die elektrische Belastbarkeit lässt sich nicht einfach bestimmen, und viele Hersteller geben Spitzenwerte an, die nur sehr kurzzeitig ohne Beschädigung erreicht werden können. Die Belastbarkeit von Tieftönern wird wichtig, wenn der Lautsprecher extremen Belastungen ausgesetzt ist: Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, Überlastung des Verstärkers, ungewöhnliche Signale (z. B. nicht-musikalische), sehr tiefe Frequenzen, bei denen das Gehäuse kaum oder gar keine akustische Belastung bietet (und somit die Membranauslenkung maximal ist) oder Verstärkerausfall. Bei hohen Lautstärken erhitzt sich die Schwingspule eines Tieftöners , ihr Widerstand steigt, was zu einer „Leistungskompression“ führt. Dabei sinkt der Schalldruckpegel nach längerer Belastung mit hoher Leistung. Weitere Erhitzung kann die Schwingspule verformen und zu Abrieb, Kurzschlüssen durch beschädigte Drahtisolierung oder anderen elektrischen oder mechanischen Schäden führen. Ein plötzlicher Energieimpuls kann einen Teil des Schwingspulendrahts zum Schmelzen bringen, einen offenen Stromkreis verursachen und den Tieftöner zerstören; der erforderliche Wert variiert je nach Treibercharakteristik. Bei normaler Musikwiedergabe ist die elektrische Belastbarkeit von Tieftönern im Allgemeinen unerheblich. Für Treiber mit höheren Frequenzen bleibt es wichtig.

Es gibt drei Arten der Belastbarkeit von Lautsprechertreibern, einschließlich Tieftönern: thermische (Wärme), elektrische (beide bereits erwähnt) und mechanische. Die mechanische Belastbarkeitsgrenze ist erreicht, wenn die Membranauslenkung ihren Maximalwert erreicht. Die thermische Belastbarkeitsgrenze kann erreicht werden, wenn einem Tieftöner über einen längeren Zeitraum relativ hohe Leistungen zugeführt werden, selbst wenn die mechanischen Grenzen zu keinem Zeitpunkt überschritten werden. Der größte Teil der der Schwingspule zugeführten Energie wird in Wärme und nicht in Schall umgewandelt. Diese Wärme wird an den Polkern, die restliche Magnetstruktur und den Rahmen weitergeleitet. Vom Tieftöner wird die Wärme schließlich an die Umgebungsluft abgegeben. Einige Treiber verfügen über Vorkehrungen zur besseren Kühlung (z. B. belüftete Magnetpolkerne, spezielle Wärmeleitstrukturen), um die erhöhten Temperaturen von Spule, Magnet und Rahmen während des Betriebs, insbesondere bei hohen Leistungen, zu reduzieren. Wird der Schwingspule zu viel Leistung zugeführt, im Vergleich zu ihrer Fähigkeit, Wärme abzugeben, überschreitet sie schließlich eine maximal zulässige Temperatur. Klebstoffe können schmelzen, der Schwingspulenträger kann schmelzen oder sich verformen, oder die Isolierung zwischen den Schwingspulenwicklungen kann versagen. Jedes dieser Ereignisse wird den Tieftöner beschädigen, möglicherweise so stark, dass er nicht mehr brauchbar ist.

Tieftöner für Beschallungsanlagen und Instrumentenverstärker ähneln in ihrer Bauweise Tieftönern für Heim-Audio-Systeme, sind jedoch in der Regel robuster konstruiert. Typische Unterschiede umfassen: Gehäuse für häufigen Transport, größere Membranen für höhere Schalldruckpegel, widerstandsfähigere Schwingspulen für höhere Belastbarkeit und eine höhere Steifigkeit der Aufhängung. Ein für Heim-Audio konzipierter Tieftöner, der in einer Beschallungsanlage oder einem Instrumentenverstärker eingesetzt wird, hat im Allgemeinen eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit als ein speziell für Beschallungsanlagen oder Instrumentenverstärker entwickelter Tieftöner. Umgekehrt erreicht ein für Beschallungsanlagen oder Instrumentenverstärker entwickelter Tieftöner in einer Heim-Audio-Anlage nicht dieselbe Klangqualität, insbesondere bei geringen Lautstärken. Aufgrund dieser Unterschiede kann ein Tieftöner für Beschallungsanlagen nicht die gleiche hohe Klangtreue (HiFi) erzielen, die für hochwertige Heim-Audio-Systeme angestrebt wird.

Tieftöner für PA-Systeme zeichnen sich typischerweise durch hohe Effizienz und hohe Belastbarkeit aus. Der Nachteil dieser hohen Effizienz zu einem vernünftigen Preis ist die relativ geringe Auslenkung (d. h. die eingeschränkte Fähigkeit, sich so weit nach innen und außen zu bewegen wie viele Heim-Tieftöner), da sie für Horn- oder große Bassreflexgehäuse konzipiert sind. Sie eignen sich zudem in der Regel nicht für einen erweiterten Tieftonbereich, da die letzte Oktave des Tieftonbereichs die Größe und die Kosten erheblich erhöht und bei den hohen Lautstärken, wie sie in PA-Anwendungen üblich sind, zunehmend unwirtschaftlich wird. Ein Heimstereo-Tieftöner kann aufgrund seiner relativ geringen Lautstärke unter Umständen sehr tiefe Frequenzen wiedergeben. Daher eignen sich die meisten PA-Tieftöner nicht gut für den Einsatz in hochwertigen HiFi-Heimkinoanlagen und umgekehrt.

Bei normalem Schalldruckpegel [ ^{2 ] können die meisten Menschen Frequenzen bis etwa 20 Hz hören. Um die tiefsten Töne präzise wiederzugeben, muss ein Tieftöner oder eine Gruppe von Tieftönern ein entsprechend großes Luftvolumen bewegen – eine Aufgabe ,} die bei niedrigeren Frequenzen schwieriger wird. Je größer der Raum, desto mehr Luft muss der Tieftöner verdrängen, um die erforderliche Schallleistung bei tiefen Frequenzen zu erzeugen.

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