Chassis Funktionsweise Lautsprecher Explosionsdarstellung

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Unterschied Chassis und Lautsprecher

Ein Lautsprecher ist bei uns (Entwicklerteam von audaphon) die Summe aller Teile. Ein Lautsprecher besteht somit aus:

  1. Gehäuse
  2. Frequenzweiche
  3. Chassis
  4. Terminal
  5. Kabel
  6. Bassreflexkanal oder Passivmembrane
  7. Schrauben
  8. usw.

Explosionsdarstellung vom Chassis

  1. Staubschutzkappe
  2. Sicke
  3. Membran
  4. Zentrierspinne
  5. Korb
  6. vordere Polplatte
  7. Kupferkappe
  8. Magnet
  9. Spulenträger
  10. Schwingspule
  11. Kuzschlussring
  12. hintere Polplatte
  13. Dichtung
  14. Schrauben
  15. Terminal
  16. Zuleitung vom Terminal zur Schwingspule
  17. Anschlussfahnen

Wo fangen wir in diesem Artikel an und wo hören wir auf?

Ich möchte Ihnen ein paar Größen aus dem Bereich Chassis-Analyse (TSP) erläutern und beginne somit bei einem essenziellen Bauteil, nämlich der Schwingspule. Wir behandeln anschließend Schritt für Schritt die gezeigten Bauteile von einem Chassis. Wir schauen uns die Wechselwirkung zwischen TSP’s und Veränderung der einzelnen Teile an. Somit bekommen Sie ein Verständnis für die Parameter (TSP) und den Chassis-Aufbau.

 

TSP Thiele-Small-Parameter

Albert Neville Thiele war Maschienenbau-Ingenieur und Dr. Richard H. Small ist Ingenieur der Elektrotechnik. Die beiden Ingenieure haben ein Methode für die Berechnung von Gehäusen erarbeitet und haben ein Modell für die Beurteilung von Chassis erstellt. Heute kennen wir diese Modelle und Methoden unter dem Synonym TSP’s.

Ich werde in dem Artikel auf die TSP’s eingehen und somit liste ich hier noch einmal alle Größen auf:

  • Äquivalentvolumen Vas
  • Resonanzfrequenz Fms
  • Elektrische Güte Qes
  • Mechanische Güte Qms
  • Gesamtgüte Qts
  • Bewegte Masse Mms
  • Membranfläche Sd
  • Nachgiebigkeit der
  • Aufhängung Cms
  • Gleichstromwiderstand Re
  • Induktivität der
  • Schwingspule Le
  • Verschiebevolumen Vd
  • maximale Auslenkung Xmax
  • Kraftfaktor B x l
  • mechanischer Verlustwiderstand Rms

Schwingspule

Die Schwingspule klebt auf dem Schwingspulenträger und kann aus verschiedenen leitenden Materialien sein. Bei den meisten Chassis ist die Schwingspule aus Aluminium oder Kupfer. Dabei ist Aluminium leichter als Kupfer und spart Gewicht, aber der Innenwiderstand von Aluminium ist höher und somit steigt die Wärmeentwicklung.

audaphon Schwingspule und Schwingspulenträger

Innenwiderstand:

Der Innenwiderstand von Kupfer ist 1,65 x 10-2 Ohm, dem gegenüber steht der Innenwiderstand von Aluminium mit 2,65 x 10-2 Ohm. Der Innenwiderstand ist auf 1 mm² und 1 m Länge angegeben.

Wir können hier erkennen, dass Aluminium einen mehr als 60 % höheren Innenwiderstand besitzt.

Dichte:

Die Dichte von Kupfer beträgt 8,96 kg. Im gegegensatz dazu die Dichte von Aluminium mit 2,7 kg.

 

Die Dichte haben wir hier in Kilogramm pro Liter (1 dm³) angegeben. Wir können hier feststellen, dass Kupfer mehr als das 3,3 Fache von Aluminium auf die Wage bringt.

Funktion der Spule:

Die Spule ist mit hochflexibler Litze mit dem Terminal (am Chassis) verbunden. In die Spule wird die Spannung Uv aus dem Verstärker eingespeist. Daraus entsteht aufgrund des Widerstands R der Spule ein Strom I=U/ R, der ein Magnetfeld bewirkt. Das Magnetfeld wiederum sorgt für eine Kraft aufgrund des Permanentmagneten im Chassis. Die Kraft wiederum beschleunigt die beweglichen Teile des Chassis. Die Bewegung der Spule im Magnetfeld im Bereich um die vordere Polplatte (Luftspalt) induziert eine Spannung UI in der Spule. Diese Spannung reduziert die wirksame Spannung des Verstärkers, so dass der Strom durch die Spule sich nun verkleinert  zu I=(Uv – UI)/R. 

Fazit

Kurz zusammengefasst bewirkt die Spannung am Chassis einen Strom, der mithilfe des entstehenden Magnetfelds die Membran in Bewegung versetzt; diese Bewegung führt zu einer Rückkopplung (Gegenkopplung) durch die induzierte Spannung in der Spule.

Beispiel

Wenn wir ein Datenblatt lesen, ist oft der Durchmesser von der Schwingspule angegeben und die Wickelhöhe. Jetzt sind wir schon mitten im Thema. Wickelhöhe, dass ist doch ein interessantes Wort. Schauen wir in das Wavecor-Datenblatt von unserem Chassis WF152BD04 an, haben wir eine Wickelhöhe von 14 mm. Jetzt brauchen wir noch die Dicke der vorderen Polplatte und wir können den linearen Hub berechnen. Man merkt schon, alles ganz einfach und keine Hexerei. Zurück zum Thema. Dicke der vorderen Polplatte ist 5 mm. Also, steht die Schwingspule auf der Oberseite und auf der Unterseite 4,5 mm über die Polplatte. Gutes Stichwort an dieser Stelle, überstehen gibt nämlich dem Spulensystem den Namen, in diesem Fall eine Überhangschwingspule. Es gibt auch ein Spulensystem mit dem Namen: Unterhangschwingspule.

Unterhang und Überhang

Bei diesem System ist die vordere Polplatte etwas stärker ausgeführt. Die Wickelhöhe ist bei diesem System weniger als die Stärke (Höhe / Dicke) der Polplatte. Somit schwingt dieses System immer im Magnetfeld. Der Vorteil von dieser Bauweise ist, das geringe Gewicht. Der Nachteil von der Unterhangschwingspule ist, der geringe lineare Hub (Xmax). Jetzt, haben wir bei dem Wavecor WF152BD04 4,5 mm in die untere Richtung und 4,5 mm in die obere Richtung zum Schwingen. Also in Summe 9 mm Gesamtauslenkung.

Schauen wir uns die Situation um die Schwingspule etwas genauer an. Ein Chassis spielt linear wenn die Kraft auf die Membran sehr gleichmäßig wirken kann. Dazu muss die Kraft auf die Schwingspule auch sehr homogen wirken können. Somit sollte die Anzahl der im Luftspalt (Bereich in der vorderen Polplatte) verbleibenden Windungen von unserer Spule gleich bleiben. Wir dürfen also mit der Spule nicht aus dem Luftspalt herausarbeiten. Ab dem Punkt, bei dem die Spule den Bereich der Polplatte verlässt, verändert sich die Kraft auf die Spule und wir sprechen von einer nichtlinearen Bewegung. Viele Hersteller multiplizieren zum linearen Hub noch einen Faktor. Diese Multiplikation ist aber aus meiner Sicht, eine Augenwischerei. Denn es werden nur Zahlen (der Hub) vergrößert und das Chassis arbeiten in dem Bereich nicht linear. Es kommen nämlich Verzerrungen dazu und das klingt schei… (nicht gut).

Linearer Hub

Zurück zum linearen Hub. Das Chassis arbeitet gut, wenn die Spule im Luftspalt bleibt. In diesem Bereich arbeitet das Chassis ohne signifikanten Anstieg von Verzerrungen. Ich habe euch ein paar Bilder erstellt, die das Optimum der Bewegung von der Schwingspule im Luftspalt zeigen. Im linken Bild könnt ihr die untere Stellung der Schwingspule sehen. Die Spule ist auf der Oberseite der Polplatte noch mit gleicher Anzahl von Windungen im Luftspalt (Bereich der Polplatte). Im rechten Bild ist die Schwingspule in der optimalen oberen Position zu sehen. Die Spule ist immer noch mit gleicher Windungszahl im Luftspalt. Der Xmax (linearer Hub in beide Richtungen) ist Wickelhöhe der Schwingspule minus der Stärke der Polplatte (Luftspalt) geteilt durch 2.

Physikalische Grenzen

Wir können aber leider den linearen Hub nicht bis in die Unendlichkeit ausdehnen. Für mehr Hub muss der Schwingspulenträger und die Schwingspule länger werden. Das führt zu mehr Gewicht und Innenwiderstand und somit wird das Chassis träge / der Wirkungsgrad geht zurück. Es spielt also den hochfrequenten Anteil der Musik nicht mehr detailliert. Wenn man die Spule länger macht steigt auch der Innenwiderstand und somit auch die Abwärme die im Chassis entsteht. Diese Wärmeentwicklung ist nicht zu unterschätzen und hat schon so manchen Musikliebhaber Abschiedstränen gekostet. Die Zentrierspinne und die Sicke müssen auch für eine größere Auslenkung angepasst werden. Diese Änderung der Eigenschaften von Spinne und Sicke können aber zu größeren Taumelbewegungen der Membran führen. Ihr merkt also schon, dass die Entwicklung von einem neuen Chassis von vielen Faktoren abhängig ist.

Der Spulenträger

Der Spulenträger ist mit der Membrane und der Zentrierspinne verklebt. Bei manchen Konstruktionen, besonders bei PA-Chassis kann es auch mehrere Zentrierspinnen geben oder es werden mehrere Sicken in das Chassis gebaut. Die Zentrierspinne und die Sicke sind für die lineare Bewegung von der Membrane zuständig. Der Abstand von dem Spulenträger zur Polplatte sollte sehr gering sein. Der Spulenträger sollte ohne Taumelbewegung in dem Luftspalt arbeiten können. Somit sollte der Spulenträger sehr genau über die hintere Polplatte passen und mit der aufgeklebten Schwingspule mit sehr geringem Abstand durch die vordere Polplatte passen. Wir sprechen hier von wenigen zehntel Millimetern. Man kann also an diesem Bauteil erkennen, wie genau diese Bauteile zusammen passen müssen damit ein Chassis excellente musikalische Eigenschaft erhält. Ein gutes Chassis ist also mit sehr geringen Fertigungstoleranzen aufgebaut.

Ein weiterer Punkt für die Qualität von einem Chassis ist das Material aus dem der Spulenträger besteht. Das Material soll leicht sein, Wärme ableiten könne, sich nicht verformen und wenn es möglich ist, nicht magnetisch sein. Schauen wir uns die einzelnen Punkte genauer an.

Gewicht / Masse vom Spulenträger

Das Gewicht spielt eine entscheidende Rolle für die Beschleunigung. Dabei ist die positive Beschleunigung (schneller werden) sowie auch die negative Beschleunigung (langsamer werden, bremsen) gemeint. Wir versuchen bei der Musikwiedergabe dem elektrischen Signal so genau wie möglich zu folgen. Dabei haben wir verschiedene Frequenzen mit unterschiedlichen Amplituden wiederzugeben. Somit ist es notwendig, dass wir bestimmte Töne, sehr schnell spielen (hohe Frequenz) und andere Töne langsamer spielen (tiefe Frequenz). Das Optimum ist also ein Spulenträger mit einer Masse von 0 Gramm / cm³. Die Masse finden wir auch bei den TSP in unserem Datenblatt von Wavecor WF152BD04. Mms ist die bewegte Masse von allen beweglichen Teilen inklusive der Luftlast. Wir können nicht die Masse vom Spulenträger herauslesen, aber die gesamte Masse von allen beweglichen Teilen. Somit sollte die Masse so gering wie möglich ausfallen.

Wärmeleitfähigkeit vom Spulenträger

Metalle können Wärme gut leiten. Wenn wir uns in der Küche umschauen, stellen wir fest, dass Aluminiumpfannen einen beachtlichen Anteil im Küchenalltag fanden. Sie hatten die tolle Eigenschaft, dass sie Wärme gut leiten konnten. Ein weiterer Vorteil, war das geringe Gewicht. Eine Pfanne ist nicht der beste Vergleich, aber jeder von uns hat schon einmal in der Küche gearbeitet und eine Pfanne in der Hand gehalten.

Was für Materialien haben wir häufig bei Spulenträgern?

  • Aluminium
  • Titan
  • Glasfaser
  • Kapton

Wir können also sehen, dass auch hier die Chassishersteller auf Aluminium als Trägermaterial zurückgreifen.

Die Membrane

Wenn wir ein Chassis im eingebauten Zustand betrachten, ist die Membran der markanteste Teil im Lautsprecher. Wir haben hier eine Fülle an unterschiedlichen Materialien und Formen. Alle Materialien und Formen im Chassis sind für ihre Anwendung optimiert.

 

Membranmaterial

Carbon

Carbon, ist ein leichter und fester Werkstoff. Einen sehr gut gemachten Vertreter der High-End-Chassis mit Carbon-Membrane finden wir im Morel TSCM 634:
Hier ein paar Bilder vom Morel TSCM 634. Wir haben auch schon ein paar Lautsprecher mit diesem Chassis entwickelt und können euch bei Interesse mehr Details zu dem Chassis den Lautsprechern und dem Material geben. Morel fertigt viele Chassis mit Carbon-Membrane. Das Besondere an den Membranen ist aber, dass es keine Staubschutzkappe gibt. Die Membrane ist aus einem Stück geformt.

Papier

Papier, ist wohl das am häufigsten verwendete Material für Chassis-Membranen. Papier wird in vielen Variationen für Membranen angeboten. Aber mit so vielen Details möchte ich euch nicht langweilen. Aus meiner Erfahrung kann ich aber sagen, dass ein guter Mitteltöner aus Papier immer noch im Spitzenfeld der High-End-Chassis mitspielen kann!

Magnesium
Aluminium
Glasfaser
Keramik
Kevlar (Aromatische Polyamide)