Wie funktioniert ein Lautsprecher? #11

Filme ohne Filmmusik, Games ohne Soundeffekte, Skype ohne den anderen zu hören oder versuch doch mal dieses Video zu muten. Was wäre das Computererlebnis nur ohne dem Sound? Da es aber glücklicherweise Lautsprecher gibt, schauen wir uns heute an, wie die Soundausgabe am Computer funktioniert, also sperrt die Lauscher auf. Bevor wir uns mit der Fragestellung befassen, nämlich wie ein eigentlicher Lautsprecher funktioniert, schauen wir uns erst einmal den Weg zwischen Computer und Lautsprecher an. Und dabei beginnt in unserem Fall alles bei der Audiodatei. Diese Musikdatei ist nun zum einen kodiert, also verschlüsselt und zusätzlich komprimiert, um deren Datengröße möglichst gering zu halten. Um diese beiden Verfahren wieder rückgängig zu machen, benötigen wir eine Software, den sogenannten Musikplayer, der den Schlüssel zu der Datei enthält, dem sogenannten Audiocodec. Ergebnis dieser Entschlüsselung ist ein digitales Signal, dessen nächstes Ziel der Soundchip ist. Der kann sich nun entweder direkt auf dem Mainboard als Onboard-Sound befinden oder aber auf einer externen Soundkarte, die qualitativ meist hochwertiger ist. Auf diesem Soundchip finden nun diverse Verbesserungen des Audiosignal statt, unter anderem das Equalizing, die Surround-Simulation, die Hallberechnung für Games, das Bassmanagement und vieles mehr. Es ist und bleibt dabei aber immer ein digitales Signal, das im nächsten Schritt jedoch in ein analoges umgewandelt wird. Dazu werden Digital-Analog-Converter, kurz DAC, verwendet. Sie machen also aus einem digitalen Signal, das aus einzelnen Werten besteht, ein analoges, also durchgängiges Signal. Erzielt wird das, indem weitere Werte zwischen den bekannten Werten berechnet werden. Dieses Verfahren nennt sich Interpolation. Bevor das analoge Signal die Soundkarte bzw. das Mainboard verlässt, läuft es noch durch einen Operationsverstärker, abgekürzt OPV oder OPMs, der den Pegel, also die Lautstärke, anpasst und damit deutlich erhöht. An diesem Punkt verläuft das Signal nun über ein Kabel an das Lautsprechersystem und dabei spielt es übrigens kaum eine Rolle, wie viel Geld man für das Kabel ausgibt. Ein möglichst geringer Datenverlust im Kabel bzw. an den Kontaktflächen ist schließlich das Ziel, aber selbst vergoldete Strecke haben nur indirekt Einfluss auf die Soundqualität, weil sie die Kontakte nur vor Oxidation schützen und nicht den Übergangswiderstand verringern. Eine merkliche Besserung des Kabelklangs ist also eher Einbildung und somit psychoakustischer Natur. Weiter geht es mit dem Verstärker des Lautsprechers. Der besteht zum einen aus dem Pegelsteller, mit dem man die Lautstärke verändern kann, und der Endstufe, die wie ein Operationsverstärker arbeitet. Dabei wird das Signal wieder mit einem festen Verstärkungsfaktor multipliziert, allerdings arbeitet die Endstufe mit einer deutlich höheren Leistung, als es der OPV tut. Bevor das Audiosignal nun endlich an die Lautsprecherboxen gelangt, wird es in einer letzten Einheit aufgesplittet und zwar in ihre verschiedenen Frequenzen. Diese sogenannte Frequenzweiche verteilt das analoge Audiosignal also auf die jeweils passendste Lautsprecherbox. Da gibt es unter anderem Subwoofer mit einem Frequenzumfang von 20 bis 150 Hz, Tieftöner von 40 bis 400 Hz, Mitteltöner von 400 bis 2.500 Hz und Hochtöner von 2.500 bis 20.000 Hz. Und diese verschiedenen Lautsprecherboxen sind nun zusammen in der Lage, alle möglichen Töne zu generieren, die für das menschliche Ohr wahrnehmbar sind. Wie an dem Frequenzumfang schon zu sehen, kann ein Mensch idealerweise Töne von 20 bis 20.000 Hz hören. Um das zu verdeutlichen, hört er jetzt in den nächsten 10 Sekunden alle Tonfrequenzen, die zum einen eure Lautsprecher erzeugen können und zum anderen, die ihr wahrnehmen könnt. Aber Achtung, eine zu hohe Lautstärke, vor allem mit Kopfhörern, kann zu Hörschäden führen. Also, los geht's! Prinzipiell wird in einem Lautsprecher die elektrische Energie, die im analogen Signal steckt, 1 zu 1 in kinetische Energie, also Bewegung, umgewandelt. Diese Bewegungsenergie überträgt sich schließlich an die Luft und bewegt sich in ihr fort, besser bekannt als Schall. Um diese Energieumwandlung zu bewerkstelligen, wurden im Laufe der Zeit einige Lautsprechervarianten erfunden. Die verbreitetste ist aber mit Abstand der Tauchspulen-Lautsprecher. Und wie der Name schon sagt, taucht dabei eine Spule in etwas ein, und zwar in einen Permanentmagneten. Dieser kann aus verschiedenen magnetischen Metallen bestehen, heutzutage wird aber meist eine Neodym-Eisenbohrlegierung benutzt, da damit die derzeit stärksten Dauermagneten herstellbar sind. Die Spule, also eine Kupferspirale, ist auf einen zylindrischen Träger aufgewickelt, der wiederum an der Membran und der Abdeckkappe befestigt ist. Schickt man nun ein elektrisches Signal in die Spule, dann wechselwirken die bewegten Ladungen mit dem Magnetfeld. Diese entstandene Kraft nennt sich Lorenzkraft und lenkt die Spule und damit die Membran mit Abdeckkappe nach oben ab. Die Membran gibt die Bewegung an die Luftmoleküle weiter und dieser Schall gelangt dann irgendwann an unsere Ohren. Die Rückführung der bewegten Teile findet dann mit Hilfe der Sicke und der Zentrierspinne automatisch statt. Vom Subwoofer bis zum Hochtöner wird diese Technik erfolgreich eingesetzt. Eine weitere Lautsprechervariante ist der Magneto-Start. Hier ist die Spule quasi in die Membran integriert, weil sich hier entweder Leiterbahnen auf einer Kunststoffmembran befinden oder die Membran selbst aus sehr dünnem Aluminium besteht. Wird die Membran mit Ladungen durchflossen, dann werden diese wieder vom Magnetfeld abgelenkt und die Membran bewegt sich. Der erzeugte Schall wird anschließend durch Aussparungen im Magneten an die Umgebung abgegeben. Da die Membranbewegung durch die dünne Bauweise stark eingeschränkt ist, werden magnetostatische Lautsprecher vor allem als Hochtöner eingesetzt. Ein Beispiel für einen Lautsprecher ohne Magneten stellt der Piezo-Lautsprecher dar. Er nutzt das Phänomen der Piezo-Elektrizität, die besagt, dass ein Piezo-Kristall bei Druckeinwirkung eine elektrische Spannung freisetzt und beim Anlegen einer Spannung seine Form ändert. Und so kann man schon durch ein einfaches Plättchen aus Piezo-Material und eines angelegten elektrischen Signals direkt Schall erzeugen. Da damit aber auch nur hohe Frequenzen erzielbar sind, wird der Piezo-Lautsprecher hauptsächlich als Summer in elektrischen Kleingeräten benutzt. Neben den bisher genannten Lautsprecherarten gibt es da noch Elektrostaten, die wie der Name schon sagt nach dem elektrostatischen Prinzip funktionieren, Biegewellenwandler, Rundumstrahler, elektromagnetische Lautsprecher und Plasma-Lautsprecher, die zum Beispiel durch die temperaturabhängige Volumenänderung von Luftplasma direkt Schall aus einem elektrischen Signal erzeugen. Das sind aber allesamt sehr spezielle und teilweise nicht mehr genutzte Lautsprecherarten. Wie schon gesagt, werden fast ausschließlich Tauchspulen-Lautsprecher verwendet, wie ihr jetzt auch sehen werdet im Specs-Check. Wieder einmal danke an Asus, dass sie mir hier das Vulcan Pro Headset zur Verfügung gestellt haben. Zu allen Infos und einem Preisvergleich gelangt ihr wieder in der Infobox. Vielleicht fragt ihr euch, warum ich jetzt ein Headset vorstelle und keinen typischen Lautsprecher. In Headsets befinden sich aber natürlich auch Lautsprecher. In diesem Fall sind es 40 mm Tauchspulen-Lautsprecher mit Neodym-Magneten, die das volle hörbare Frequenzspektrum erzeugen können. An der Unterseite der linken Ohrmuschel befindet sich eine 3,5 mm Klinkenbuchse für ein ansteckbares Mikrofon und eine weitere für das Anschlusskabel. Hier befindet sich ein Schalter, um ein sehr tolles Feature zu aktivieren, nämlich die aktive Geräuschunterdrückung. Während die passive Unterdrückung, nämlich die Ohrmuscheln, einfach das Eindringen von Außengeräuschen vermindern, vermindert die aktive Unterdrückung Geräusche durch das Einbringen von Antischall. Dabei werden die Schallwellen von außen mit einem Extra-Mikrofon aufgenommen, dann invertiert, also umgekehrt und an die Lautsprecher weitergeleitet. Gegensätzlich überlagerte Schallwellen löschen sich dann schließlich aus, genannt destruktive Interferenz. Einziger Nachteil dieser Funktion ist der, dass eine Batterie benötigt wird, die aber glücklicherweise 40 Stunden hält. Hier kann man also das Mikrofon anschließen und hier das Kabel, an dem ein Lautstärkeregler und ein Mute-Schalter für das Mikrofon befestigt sind. Eine Hilfe fürs Kabelmanagement und da noch etwas ganz Besonderes, das Asus als Republic of Gamers Spitfire bezeichnet. Das ist eine Art externe USB-Soundkarte, die es zunächst einmal ermöglicht, das Headset an einen USB-Port ohne Treiber zu verwenden. Und außerdem kann man dort direkt einige Soundveränderungen vornehmen. Das FPS steht für First Person Shooter und optimiert den Sound eben für diesen. Das Surround aktiviert einen virtuellen 7.1-Surround-Sound und das AMP schaltet den Amplifier, also einen Verstärker-Boost, hinzu. Besitzt man aber eine gute Soundkarte, kann man das Headset natürlich auch ohne dem Spitfire-Interface anschließen. Danke fürs Anschauen! Wie ihr vielleicht schon an dem kleinen blauen Vögelchen bemerkt habt, solltet ihr mir auf Twitter folgen. In letzter Zeit bin ich dort nämlich ziemlich aktiv und es stellt für mich und für euch einfach die beste Plattform dar, um uns auszutauschen. Wenn ihr wollt, schaut euch doch noch das letzte Computer-Video zur Tastatur an oder ein anderes Thema aus der Computer-Playlist. Oder, falls ihr noch nicht mein 50.000-Abonnenten-Special gesehen habt, schaut's euch an, da steckt nämlich echt viel Arbeit drin.