Schwingspule


Eine Schwingspule (siehe auch Spule, engl. Voice coil) stellt die Antriebseinheit eines elektrodynamischen Schallwandlers respektive eines dynamischen Lautsprechers, wie z. B. eines Basslautsprechers, dar.

Dadurch unterscheidet sie sich von einer Tauchspule, welche eine ähnliche Funktion hat, jedoch eher in Mikrofonen und auch in Kalottenhochtönern Verwendung findet.

Sie besteht aus einem dünnen Draht, der auf dem sogenannten Schwingspulenträger aufgewickelt ist. Diese Spule taucht in den Luftspalt des Permanentmagneten ein, in dem sich ein starkes Magnetfeld befindet. Der Spulenträger ist mit der Membraneinheit des Lautsprechers verbunden. Das sich durch Stromdurchfluss aufbauende magnetische Wechselfeld bewegt die Schwingspule mit der Membran nach vorne und nach hinten und ermöglicht es so, die Spannungsschwingungen in Luftschwingungen umzusetzen.

In den frühen Jahren der Elektrotechnik wurden auch Elektromagnete zum Aufbau des Spaltmagnetfeldes verwendet, da man noch nicht in der Lage war, entsprechend starke Permanentmagnete herzustellen. Ein Elektromagnet bietet den Vorteil, dass sich das Magnetfeld beliebig ändern lässt.

Aufgrund der elektromagnetischen Induktion wird bei einer Bewegung der Membran auch eine Spannung in der Schwingspule induziert. Da der Lautsprecher an einen Verstärker als niederohmige Spannungsquelle (Signalspannung) angeschlossen ist, tritt in diesem Fall eine Dämpfung der Membranbewegung nach dem Prinzip der Wirbelstrombremse ein. Aufgrund dieser Tatsache steigt die elektromagnetische Dämpfung des Lautsprechers mit zunehmender Stärke des Magnetfeldes an. Dieses bedingt einen niedrigen Gütefaktor, der auch „Q-Faktor“ genannt wird.

Es existieren auch selbsttragende Bauformen von Schwingspulen, bei denen der Spulendraht einen rechteckigen Querschnitt aufweist und innerhalb der Windungen vollflächig miteinander verklebt ist. Derartige Konstruktionen finden in hochwertigen Lautsprecher-Chassis Verwendung, wo durch die Einsparung des Spulenträgers die bewegte Masse reduziert werden kann. Dieses kommt einer besseren Impulswiedergabe des Lautsprechers zugute.


Quelle

Schwingungsmembran



Eine Schwingungsmembran oder Oszillationsmembrane (Membran, von mittelhochdeutsch Membrane „Pergament“; von lateinisch membrana „Häutchen“ bzw. membrum „Körperglied“), ist eine dünne Haut oder Folie, die Schwingungen erzeugen oder modifizieren soll.

Jede Membran besitzt mehrere Eigenresonanzen (Partialschwingungen), die aber häufig stark gedämpft sind. In deren Umgebung können die Amplituden besonders hohe Werte erreichen. Die Membran kann in einem festen Rahmen eingespannt sein wie bei einer Trommel, ihr Rand kann aber auch frei schwingen wie bei einem Lautsprecher. Beide Varianten unterscheiden sich sehr deutlich bezüglich möglicher Moden und Frequenzen.

Sie kann zur Erzeugung, Verstärkung, Aufnahme, Dämpfung oder Messung der Schwingung dienen. Die Anregung zu Membranschwingungen setzt voraus, dass eine andauernd einwirkende äußere Kraft vorhanden ist, die durch die Zugspannung durch eine Randeinspannung gegeben ist. Die Schwingungsanregung kann auf sehr unterschiedliche Weise erfolgen, etwa durch Auftreffen von Luftschall, z. B. Trommelfell, durch Aufschlagen mit einem Schlegel, etwa bei Membranophonen, oder auf elektrischem Wege, etwa durch Anregung einer Lautsprechermembran.

Solche schwingenden Membranen spielen in der Akustik auf zahlreichen Gebieten eine außerordentlich wichtige Rolle, so vorwiegend bei den elektroakustischen Wandlern, wo sie zur Umwandlung von mechanischer Schallenergie in elektrische Energie dienen, z. B. beim Mikrofon, oder

umgekehrt zur Wandlung von elektrischer Energie in Schallenergie, z. B. beim Lautsprecher oder beim Kopfhörer, beim Hörvorgang, sowie bei bestimmten Musikinstrumenten, z. B. den Membranophonen. Im Bruststück des Stethoskops ist ebenfalls eine Membran eingebaut.

Technische Schwingungsmembranen finden beislpielsweise in Druckmessgeräten, Membranpumpen und Musikinstrumenten Verwendung. Ein Beispiel für eine biologische Schwingungsmembran ist das Trommelfell.

Tauchspule

Tauchspulen sind in einem stationären Magnetfeld federnd aufgehängte (Magnet-)Spulen, die bei Stromdurchfluss durch die Lorentzkraft ausgelenkt werden. Die englische Bezeichnung voice coil findet sich in manchen Anwendungsbereichen (wie bei Festplattenlaufwerken) auch im deutschsprachigen Raum häufiger als die deutsche.

Verwendung findet die Tauchspule vor allem bei dynamischen Mikrofonen und Kalottenhochtönern. Dadurch unterscheidet sie sich von den Schwingspulen, welche vornehmlich in dynamischen Lautsprechern wie z. B. dem Basslautsprecher Verwendung findet Quelle

Elektromagnetischer Lautsprecher

Elektromagnetische Lautsprecher wurden häufig in der Anfangszeit der Audiotechnik verwendet. Es wird entweder eine Eisen-Membran bewegt, die den Schall direkt abstrahlt (siehe Skizze), oder ein von einer Spule umschlossener Eisenstab schwingt vor dem Luftspalt eines Dauermagneten und ist mit einer Papiermembran verbunden. Solche Lautsprecher werden heute nicht mehr gebaut. Ein überlagertes Gleichfeld und das NF-Wechselfeld treibt eine ferromagnetische Membran an.
Die Nachteile dieser Konstruktionen sind:

* hoher Klirrfaktor,
* ungeeignetes, schweres, resonantes Material für Membran bzw. Eisenstab notwendig, was zu blechernem Klang führt.
* schlechte Tiefton- und Hochtonwiedergabe

Dieses Prinzip wird auch bei magnetischen Mikrofonen und elektromagnetischen Kopfhörern (beide veraltet), sowie in Telefon-Sprechmuscheln verwendet.

Plasmahochtöner



Beim Ionenlautsprecher oder Plasmahochtöner (Plasmatweeter, Ionenhochtöner) wird die physikalische Eigenschaft der Luft genutzt, sich beim Erwärmen auszudehnen. Dazu wird mit Hilfe eines niederfrequent modulierten Hochspannungsverstärkers ein Wechselstrom zwischen zwei Elektroden erzeugt, der ein leuchtendes Luftplasma generiert, dessen Volumen sich im Takt der Modulation verändert.

Der Ionenlautsprecher erzeugt keine Vor- und Nachschwinger. Der Frequenzgang ist messbar von 500 Hz bis weit in den MHz-Bereich (übliche Messmikrofone messen bis ca. 100 kHz, darüber hinaus kann das Schallwandlerprinzip umgekehrt werden und ein Plasmahochtöner als Mikrofon verwendet werden). In der Praxis ist es allerdings schwierig, diesen Hochtöner mit derzeit verfügbaren Mittel- und Tieftonsystemen so zu kombinieren, dass ein homogenes und annähernd natürliches Klangbild entsteht. Durch die hohe Störaussendung (siehe EMV) ist der Einsatz eines solchen Plasmahochtöners kaum möglich, da eine Einhaltung der Grenzwerte nach DIN EN eine breitbandige Abschirmung erfordert, die sich als konträr zur Schallausbreitung darstellt. Problematisch an dieser Schallwandlungsmethode ist weiterhin, dass durch das starke, ionisierende Feld größere Mengen Stickoxide erzeugt werden, die in Wechselwirkung mit dem Luftsauerstoff Ozon bilden. Durch den Einsatz von Katalysatoren in modernen Konstruktionen lässt sich die bei älteren Systemen deutliche Geruchsbelästigung inzwischen fast vollständig vermeiden. Gesundheitliche Schäden – auch bei längerem Betrieb – sind dabei nicht zu erwarten.

Quelle

Frequenzgang



Lineare Verzerrungen sind etwa Nichtlinearitäten im Amplitudenfrequenzgang, d. h. unterschiedliche Frequenzen werden trotz identischen Eingangssignalpegels vom Lautsprecher unterschiedlich laut wiedergegeben. Je nach Art und Ausprägung dieser Nichtlinearitäten führen diese bei der Wiedergabe zu Klangverfärbungen (zu laute Bässe, zu wenig Mitten usw.). Im Idealfall sollte ein Lautsprecher alle Frequenzen im Hörbereich (20–20000 Hz) gleich laut wiedergeben. In der Praxis sind Abweichungen bis ± 0,5 dB für das menschliche Ohr nicht unterscheidbar, Abweichungen bis etwa ± 2 dB, sofern sie nur schmalbandig sind, gelten hörtechnisch als nicht störend. Je breitbandiger diese Verfärbungen sind, desto eher sind sie hörbar/störend, wobei Anhebungen einzelner Frequenzbänder hörbarer/störender sind als Absenkungen.

Linearer Frequenzgang wird mit Mehrwege-Lautsprecherboxen oder entsprechend breitbandigen Wandlern erreicht. Hörraum und Boxengeometrie sowie die Lautsprecherdämpfung durch den Verstärker und die Dämmwolle der Box haben neben dem Lautsprecher selbst einen großen Einfluss auf den Frequenzgang. Abweichungen der Frequenzgänge (Paarabweichungen) der beteiligten Lautsprecher untereinander führen zu Lokalisationsunschärfen und zu Klangänderungen von bewegten Quellen (letzteres ist besonders bei Videowiedergabe störend). Das ergibt vor allem bei sogenannten Center-Lautsprechern Probleme, weil diese meistens anders konstruiert und anders aufgestellt sind als die zugehörigen Frontlautsprecher.

Die Empfindlichkeit ist unterschiedlich:

* Fehler vorn sind deutlicher hörbar als hinten.
* Am empfindlichsten ist das menschliche Ohr gegenüber Links-Rechts-Abweichungen. Vorn-Hinten- oder Oben-Unten-Fehler sind für das menschliche Ohr weniger deutlich wahrnehmbar.

Abweichungen im Bereich 250 Hz bis 2 kHz sind ab 0,5 dB feststellbar, maximale Unterschiede von 0,25 dB sind daher anzustreben, jedoch kaum zu erreichen.

Neben den Verfärbungen auf der idealen Abstrahlachse des Lautsprechers (Hörachse) ist für den Höreindruck jedoch auch entscheidend, wie der Schall abseits dieser Achse abgegeben wird, weil sich nicht immer alle Hörer in der Hörachse befinden können. Idealerweise sollte ein Lautsprecher in jede Raumrichtung alle Frequenzen identisch laut wiedergeben, wobei nur der Gesamtpegel abweichen darf (gleichmäßige Schallbündelung). In der Praxis ist diese Bündelung aber insbesondere im Mittel-/Hochtonbereich oft stark abhängig von der Frequenz, was im Heimbereich durch Verstetigung des Abstrahlverhaltens („Constant Directivity“) vermieden werden sollte. Hier sind Kalottenhochtöner vorteilhaft, diese besitzen bei hohen Frequenzen eine wesentlich bessere Rundum-Abstrahlung als Membran- oder Trichter- bzw. Hornlautsprecher.

Im Außenbereich ist man dagegen oft daran interessiert, hohe Frequenzen gerichtet in einen schmalen Raumwinkel abzustrahlen, um deren größere Luftdämpfung bei größeren Entfernungen auszugleichen. Während nahe stehende Hörer dann außerhalb des Haupt-Abstrahlkegels der Hochtonlautsprecher (z. B. Hornlautsprecher) sind, werden entfernt stehende Hörer vom Hauptkegel erreicht und nehmen hohe Frequenzen ausreichend laut wahr. Eine Alternative sind im hinteren Zuhörerraum aufgestellte, gerichtet auf die hinteren Zuhörer abstrahlende zusätzliche Hochton-Lautsprecher; diese müssen jedoch zeitverzögert angesteuert werden.

Reflexionen bringen im Hallraum sehr große Pegelschwankungen mit sich, die durchaus im Bereich +10 dB … −40 dB liegen können. Besonders bei höheren Frequenzen ergeben sich durch die Überlagerung von Direktschall und den mehrfach Reflexionen äußerst komplizierte räumliche Schallfelder. Bei Wiedergabe eines Sinustons können diese Pegelunterschiede beim Umhergehen deutlich wahrgenommen werden.

Scanner (Lichttechnik)



Unter einem Scanner in der Lichttechnik versteht man einen multifunktionalen
Scheinwerfer, dessen Lichtstrahl durch einen elektromechanisch beweglichen
Spiegel abgelenkt wird. Zwischen Leuchtmittel und Lichtaustrittsöffnung
ist eine so genannte "Effekt-Unit" eingebaut, die die Eigenschaften des
Lichtstrahles, beispielsweise in Farbe und Form, verändern kann.
Alle Funktionen sind elektronisch fernsteuerbar.


Leuchtmittel

Zum Einsatz kommen meist Gasentladungslampen (HMI, HTI, MSR, HSR, MSD etc.),
seltener auch Halogenleuchtmittel, im Leistungsbereich von 150W bis 4000W.
Der Vorteil der Gasentladungslampen besteht in der höheren Farbtemperatur und der
höheren Lichtausbeute gegenüber den Halogenlampen. Weil Gasentladungslampen
nicht dimmbar sind, wird die Helligkeit mechanisch durch Schließbleche ("Shutter") geregelt,
die sich vor dem Lichtaustritt befinden und in den Strahlengang gefahren werden.
Neuerdings werden auch Scanner mit LED Technik eingesetzt. Diese Geräte verwenden
entweder eine LED Matrix um dadurch "Gobos" und verschiedene Farbeffekte zu erzeugen
(kein Gobo- und Farbrad), oder sie verwenden eine einzelne High Power LED und arbeiten
dann ebenfalls mit Gobo- und Farbrad.


Farben

Mögliche dichroitische Farbfilter sind entweder auf einem fest drehbaren Rad eingesetzt oder
beruhen auf einer subtraktiven Farbmischung, die durch das CMYK-Farbmodell prinzipiell jede
Farbe erzeugen kann. Einige Scanner besitzen zusätzlich einen Konversions-Filter, der die
Farbtemperatur der Gasentladungslampen der von Halogenlampen angleicht, um einen
Parallelbetrieb ohne optische Unterschiede zu ermöglichen, aber auch zur Gestaltung,
um mehr Wärme im Farbton zu erzeugen, wird dies genutzt. LED Geräte benutzen eine
additive Farbmischung durch den RGB-Farbraum.

Gobos

Scanner verfügen in der Regel über eingebaute Gobos. Die einfachste Variante besteht aus
Metall und dient dazu, Muster wie zum Beispiel Ringe oder ähnliches zu projizieren.
Diese Gobos befinden sich, wie die Farbfilter, auf einem Rad und können so für verschiedene
Muster durchgetauscht werden. Eine andere Variante sind Glas-Gobos, die häufig aus koloriertem
Glas in Verbindung mit eingearbeiteten Mustern bestehen. Dieser Filter kann in vielen Scannern
um seinen Mittelpunkt rotiert werden, so dass rotierende Muster auf der Projektionsfläche entstehen.
Sind mehrere Goboräder vorhanden, lassen sich durch deren Kombinationen neue Muster erzeugen.
Optik [Bearbeiten]



Für die Bündelung des von den Leuchtmitteln emittierten Lichts gibt es zwei verschieden Systeme:

1. Die Kondensoroptik ist ein komplexes Linsensystem zwischen Brenner und Effekteinheit, das prinzipiell
Vorteile bei der Schärfe von Projektionen bietet, dafür aber auch mehr Licht absorbiert als Scheinwerfer mit einem
2. Ellipsoidreflektor, meist aus dichroitisch beschichtetem Glas, der im Wesentlichen die Bündelung
des Lichts übernimmt. Diese Optik ist effektiver, erfordert aber mehr Aufwand bei der restlichen Optik,
um gleichmäßige und scharfe Projektionen zu ermöglichen.

Einige Geräte besitzen ein Prisma, welches die bisher entstandene Projektion multipliziert,
so dass bei einem eingesetzten Gobo das Projektionsmuster nicht nur einmal entsteht, sondern
entsprechend dem eingesetztem Prisma mehrfach. Das Prisma kann zudem drehbar gestaltet sein.

Eine eventuell vorhandene Iris-Funktion ermöglicht die Kontrolle der Streuungswinkel. Dadurch kann
der erzeugte Lichtkegel entsprechend vergrößert oder verkleinert werden. Ein pulsierender Lichtkegel
kann auch als Effekt eingesetzt werden.

Je nach Modell lässt sich die Linse über das Steuersignal oder von Hand scharf stellen, so dass die
Projektionen der Muster scharf erscheinen. Diese Funktion wird als Focus bezeichnet.

Eine schließende Shutter-Funktion ermöglicht die Projektion zu stoppen. Das hat die Vorteile, dass
das Leuchtmittel dauerhaft brennen kann, der Scanner seine Projektion schnell ausschalten kann
und zusätzlich bei einem schnellen Shutter ein Blitzeffekt erzeugt werden kann, der auch als
Strobe-Funktion bekannt ist.
Abgrenzung zu anderen Moving-Lights [Bearbeiten]

Moving-Lights lassen sich in zwei Klassen einteilen:

* Scheinwerfer mit Spiegelablenkung (Scanner)
* Kopfbewegte Scheinwerfer (Moving Head)

Bei spiegelgesteuerten Scannern trifft die Projektion auf eine Spiegelfläche, die mit Hilfe zweier
Motoren seitlich und neigend bewegt wird, so dass der Lichtstrahl auf die Projektionsfläche abgelenkt wird.
Dies hat zwar den Vorteil, dass nur ein leichter Spiegel zu bewegen ist und die Projektion daher schnell
neu ausgerichtet werden kann, jedoch ist der Bereich von Neigung und Rotation limitiert. Aus diesen Gründen
werden Scanner für den Disco-Einsatz oder für bestimmte Bühneneffekte bevorzugt, sind aber nicht geeignet,
wenn es darum geht, jeden Punkt auf einer Bühne erreichen zu können.

Kopfbewegte Scheinwerfer, oder auch Moving Heads genannt, bewegen das Leuchtmittel inklusive aller Filter.
Durch das erhebliche Gewicht sind deren Bewegungen daher träger als spiegelgesteuerte Scanner, erlauben
jedoch auf nahezu jeden umliegenden Punkt im Raum projizieren zu können. Sie eignen sich daher besonders
für den Bühneneinsatz. Die Basis-Rotationen eines Moving Heads sind meist auf 540° limitiert während
die Neigung oft bei 270° liegt.

Die rotatorischen Scanner sind die Hybriden zwischen den Scannern und den Movingheads.
Die Projektion wird durch einen Spiegel in der Neigung abgelenkt, die Rotation wird durch Bewegung der gesamten
Basiseinheit ähnlich wie beim Movinghead bewirkt. So kann der gesamte Raum unter- oder oberhalb (je nach Aufhängung)
des Scanners ausgeleuchtet werden. Die eingesetzten Rotationsmotoren sind nicht wie den meisten Movingheads
auf 540° beschränkt, sondern können unbeschränkt rotieren. Einige Modelle rotieren mit 120/min extrem schnell.

Eine besondere Familie bilden sogenannte TM-Scanner. Hierbei werden zwei Spiegel schräg auf zwei verschiedenen
Achsen gegeneinander bewegt und können so nahezu in alle 360°-Richtungen projizieren.


Steuerung

Die Ansteuerung eines Scanners erfolgt meist über DMX. Es gibt Scanner mit über 20 Funktionen, so dass auch
entsprechend viele DMX-Kanäle von einem einzelnen Gerät belegt werden. Es gibt eine Fülle von speziellen Pulten,
die speziell für die Ansteuerung von Scannern entwickelt wurden, da der Leistungsumfang erheblich größer ist als
bei statischer Beleuchtung.

Da der leichte Spiegel meistens schnelle Bewegungen ausführt, sind die meisten Modelle mit einem Kanal für die
Pan- und einem Kanal für die Tiltbewegung ausgestattet. Der Wunsch nach genaueren langsamen Spiegelfahrten
veranlasste die Hersteller auch, Modelle mit 16bit Auflösung (Je 2 Kanäle) zu bauen. Hierbei handelt es sich oft um
größere Modelle, die auf große Entfernung sanft fahren können sollen.

Bedeutung

In der heutigen Beleuchtungstechnik sind Scanner und Moving-Heads fest etabliert. Häufig dienen die klassischen,
konventionellen Scheinwerfer nur noch zur Grundbeleuchtung einer Bühne. Discotheken, die insbesondere neuere
Musikgenres im Programm haben, sind weitestgehend mit Scannern ausgestattet und die Tätigkeit
eines Light-Jockeys (LJ) wird immer attraktiver.