Mikrofon und Lautsprecher Typen - prototyping-lab/technisches-grundlagenprojekt GitHub Wiki

1. Mikrofon

Ein Mikrofon ist ein Schallwandler. Er wandelt mechanische Energie, also den Schall in ein elektrisches Signal um. Er ist das symmetrische Gegenteil eines Lautsprechers. Von außen betrachtet hat ein Mikrofon einen Korb, einen Griff/Korpus und am Ende einen Adapter für einen Stromanschluss oder eine Funkübertragung.

1.1 Bauform des Mikrofons

Mikrofone wandeln akustische Schallwellen zunächst in mechanische Schwingungen, dann in elektrische Impulse um. Dafür besitzt jedes Mikrofon eine Membran, die durch Schall in Bewegung versetzt wird. Diese mechanischen Schwingungen werden schließlich in eine analoge elektrische Spannung umgesetzt. Die technische Qualität des Mikrofonsignals hängt vom Rauschabstand, der Impulstreue, dem Klirrfaktor und Frequenzband ab.

1.2 Dynamische Mikrofone

Dynamische Mikrofone funktionieren mit elektromagnetischer Induktion. Eine Membran ist mit einer leicht beweglichen Spule verbunden, die im Magnetfeld eines Dauermagneten schwingen kann. Die Geschwindigkeit der Membranbewegung führt zum Signal.

Haupteinsatzbereich:

• Live-Bereich
• Mikrofonierung von Schlagzeugen
• vereinzelt Vokal- oder Instrumentaufzeichnungen

1.2.1 Tauchspulenmikrofon

Die Membran ist hier fest mit der Spule verbunden, die sich durch die Membranbewegung in einem dauermagnetischen Feld bewegt. Die Bewegung von Spule und Magnetfeld erzeugt durch Induktion die Signalspannung. Die Spannung ändert sich im Rhythmus der Membranschwingung.

Vorteile	Haupteinsatzbereich
robust	Nahaufnahmen
verträgt hohe Schalldrücke	Bühnen
keine Spannungsversorgung
günstig

1.2.2 Bändchenmikrofon

Die Membran ist ein zick-zack-gefalteter Aluminiumstreifen, um die sich herum ein Permanentmagnetfeld befindet. Die eintreffenden Schallwellen regen die Membran an und induzieren die Bewegung im Magnetfeld einer entsprechenden Spannung. Diese kann an den Enden der Aluminiumstreifen abgegriffen werden.

Vorteile	Nachteile
gutes Impulsverhalten durch leichte Membran	ungeeignet für Aufnahmen tiefer Frequenzen
präzise und authentisch	sensibel

1.3 Kondensatormikrofon

Eine elektrisch leitende Membran befindet sich mit einem geringen Abstand vor einer Metallplatte (Gegenelektrode). Wenn sich zwei Metallplatten parallel zueinander befinden, entsteht ein Plattenkondensator, der elektrische Ladung speichern kann. Das Maß für die Menge an elektrischer Ladung, die der Kondensator speichern kann, ist die Kapazität. Die Schallwellen versetzen die Membran in Schwingungen. So ändert sich immer der Abstand der Platten zueinander und auch die Kapazität. Diese Kapazitätsänderung wird dann abgenommen.

1.4 Kohlemikrofon

Das Kohlemikrofon enthält eine stromleitende Kapsel mit Kohlegrieß. Die Membran drückt je nach Schallwellenstärke das Kohlegranulat zusammen. Dadurch verändert sich der elektrische Widerstand laufend. Das Kohlegranulat hinter der Membran wandelt die Übergangswiderstände um und so übertragen sich die elektrische Signale ganz einfach auf den Empfänger. Sie wurden früher in Telefonen eingesetzt. Später wurden dann dynamische Kapseln und Elektret-Kapseln eingesetzt, um die Sprachqualität zu verbessern. Da sich nach einiger Zeit das Kohlegranulat verdichtet.

Nachteile	Vorteile
schlechte Wiedergabeeigenschaften	hohes Ausgangssignal
verursacht bei Bewegung Rauschen	keine Verstärkung notwendig
nicht reproduzierbare, nichtlineare Verzerrungen

1.5 Piezo-/Kristallmikrofon

Die Membran gibt über ein mechanisches System Schwingungen auf den Piezokristall im Inneren weiter. Dieser verformt sich dabei minimal. An den Ecken des Kristalls kann man die Spannung dann abgreiffen.

Vorteile:	Nachteile	Haupteinsatzbereich
mechanisch robust	keine hochqualitativen Aufnahmen	Kontaktschallwandlern (Tonabnehmer, Körperschallaufnehmer, Schwingungsaufnehmer)
simple Bauweise	hoher Klirrfaktor

2. Lautsprecher

Die Enwicklung des Lautsprecher ist mit der des Telefons verknüpft. Antonio Meucci stellte es bei der Veröffentlichung des ersten Fernsprechapperates im Jahre 1860 vor. Lautsprecher sind Schallwandler die elektrische Energie in mechanische Schwingungen als Schall umwandeln. Normale Lautsprecher können Frequenzen zwischen 20 Hz bis max. 50 kHz wieder geben.

2.1 Aufbau eines Lautsprechers

Spule: Die Spule ist ein aufgewickelter Draht. Der Draht ist so isoliert, dass ein eingegebener Stromimpuls keine Bahnen überspringen kann, sondern die Spule komplett durchlaufen muss. Dadurch entsteht ein elektromagnetisches Feld.

Dauermagnet: Ein Dauermagnet braucht keinen Strom. Es handelt sich um einen ganz normalen Magneten, der langsam an Kraft verliert.

Membran: Die Membran eines Lautsprechers bestehet entweder aus einer dünnen Metall - oder Kunststoff-Folie, oder aus einer speziellen Pappe.

2.2 Wie funktioniert ein Lautsprecher

Zunächst gibt das Audio-Ausgabegerät (z.B. Handy oder Computer) einen Stromimpuls, über ein Kabel an den Lautsprecher. Dieser Impuls durchläuft dann die Spule, wodurch elektromagnetische Wellen entstehen. Da die Spule und der Magnet unterschiedlich gepolt sind, wird entweder Spule oder Magnet in Bewegung versetzt. Die Membran, die am Magnet/Spule befestigt ist, wird so in Schwingung versetzt und drückt dabei Luft vor sich her. So entstehen Schallwellen, die für den Menschen hörbar sind.

2.3 Bauform eines Lautsprechers

Tauchspulenlautsprecher: Dieses Prinzip wird bis heute am meisten verwendet. Eine Spule schwingt, in einem Feld, eines Magneten. Diese Technik wird elektrodynamisch angetrieben und kann unterschiedlich aussehen. Von einer Membrangröße von bis zu 30cm hin zu bis knapp 2cm. Schickt man ein elektrisches Signal in die Spule, dann wechselwirken die Ladung mit dem Magnetfeld. Das ist die sogennante Lorenzkraft, die die Spule und Membran damit nach oben lenkt. Die Membran gibt die Bewegung an die Luftmoleküle weiter, bis er an unser Ohr gelangt.

Magnetostatische Lautsprecher: Die Spule ist hier direkt auf der Membran angebracht. Wird die Membran mit Ladungen durchflossen, dann werden diese vom Magnetfeld abgelengt und die Membran bewegt sich. Der Schall wird dan durch die Aussparungen im Magnet an die Umgebung weitergegeben. Magnetsostatische Lautsprecher werden vor allem als Hochtöner eingesetzt.

Piezo-Lautsprecher: Dieser Lautsprecher nutzt die Piezoelektrizität, die besagt, dass ein Piezokristall bei Druckeinwirkung elektrische Spannung freisetzt und beim Anlegen einer Spannung seine Form verändert. So kann man durch ein einfaches Piezoplättchen und eines angelegten elektrischen Signals direkt Schall erzeugen. Man verwendet sie vor allem in Kleingeräten, zum Beispiel als Summer.

Text: Fabienne | Bild: Simon | Quiz: Paul