Dynamisches Mikrofon / Lautsprecher
Schlagwörter: dynamisches Mikrofon, Mikrophon, Microfon, dynamischer Lautsprecher, Aufbau, Funktion, Physik, Induktion, Spule
Aufbau
Ein dynamisches Mikrofon bzw. ein Lautsprecher besteht im Wesentlichen aus einer beweglichen Membran, einem Permanentmagneten und einer Spule. Die Spule ist hier fest auf die Membran (Folie) aufgeklebt. Der Magnet ist fest mit dem Gehäuse verbunden. Damit kann der Aufbau als Mikrofon oder als Lautsprecher genutzt werden.
Dynamisches Mikrofon
Wenn Schall auf die Membran trifft, dann beginnt diese zu schwingen. Die Spule, die fest mit der Membran verbunden ist, schwingt mit. Durch die Schwingung der Spule im Magnetfeld des Permanentmagneten, wird in der Spule eine Spannung induziert. Die Spannung und ihre Frequenz hängen von dem Ton ab, der auf die Membran trifft. Diese Spannung wird über die Buchsen abgegriffen und auf einem Oszillographen dargestellt.
Video – Mikrofon
Lautsprecher
An die Eingänge des Lautsprechers wird eine Wechselspannung angelegt. Dann fließt durch die Spule ein Wechselstrom. Dieser Wechselstrom ist von einem Magnetfeld umgeben, dass mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten wechselwirkt. Je nach Phasenlage des Wechselstroms, ziehen sich Spule und Magnet gegenseitig an, oder stoßen sich gegenseitig ab.
Da die Spule fest mit der Membran verbunden ist, beginnt diese in der Frequenz des Eingangssignals zu schwingen. Die Schwingung der Membran wird an die Luftmoleküle übertragen und kann sich im Raum ausbreiten.
Video – Lautsprecher:
… weitere Erläuterungen – unter dem Video im Kasten
Weitere Fragen an Lautsprecher und Mikrofon
Bei einem Hörtest stellen wir fest, dass wir Töne erst oberhalb einer Frequenz von 20 Hz hören. Das ist auch bei diesem Versuch nicht anders. Die deutlich wahrnehmbaren Geräusche unter einer Frequenz von 20 Hz sind u.a. auf „Schlaggeräusche“ des Materials zurückzuführen. Wenn die Membran des Lautsprechers vibriert, dann versetzt sie auch das Gehäuse in Schwingung. Die Schlaggeräusche sind vergleichbar mit den Geräuschen, die entstehen, wenn wir mit etwas auf den Tisch schlagen würden.
Eine weitere Ursache ist die Eigenschwingung des Gehäuses. Wenn das Gehäuse zum Schwingen angeregt wird, dann schwingt es vorzugsweise in seiner Eigenfrequenz. Der Versuch hat gezeigt, dass diese Eigenfrequenz bei ca. 70 Hz liegt (erster Resonanzpunkt). Je näher die anregende Frequenz an der Eigenfrequenz des Gehäuses ist, desto lauter wird der Ton.
Bei diesem Experiment überlagern sich zwei Töne. Der primäre Ton ist der Ton, der von der Membran ausgeht (anregende Frequenz). Der sekundäre Ton ist der Ton der von der Eigenschwingung des Lautsprechers ausgeht. Bei guten Lautsprechern achtet man darauf, dass die Eigenfrequenz des Lautsprechers nicht im Frequenzbereich des Lautsprechers liegt.
Im prinzipiellen Aufbau sind Mikrofon und Lautsprecher gleich. Die Ohrhörer vom Smartphone sind primär als Lautsprecher gebaut, können aber auch als Mikrofone eingesetzt werden. (vgl. Bestimmung der Schallgeschwindigkeit) Je nach Anwendung wird der Aufbau optimiert.
Lautsprecher: Für die Qualität eines Lautsprechers ist es entscheidend, in welchem Frequenzbereich er arbeiten soll. So unterscheiden sich schon die Bauformen von Tief- und Hochtönern. Grundsätzlich sollte vermieden werden, dass die Lautsprecher ihre Resonanzpunkte im entsprechenden Frequenzbereich haben. Im Video ist deutlich zu erkennen, wie der Lautsprecher bei Frequenzen um 70 Hz zu Eigenschwingungen übergeht. Das ist bei „guten“ Lautsprechern natürlich nicht erwünscht. Die Eigenfrequenz eines Lautsprechers bzw. seine Resonanzpunkte lassen sich durch z.B. durch die Größe, Form und Spannung der Membran beeinflussen. Weitere Möglichkeiten bieten Verstrebungen, die die Eigenschwingungen des Gehäuses einschränken oder in andere Frequenzbereiche verschieben.
Mikrofon: Wie schon beim Lautsprecher, entscheidet auch hier die Anwendung über den optimalen Aufbau. Welcher Frequenzbereich soll aufgenommen werden? Gib es Frequenzen die ausgeblendet werden sollen (z.B. Windgeräusche, Hintergrundrascheln., …)? Ist das aufzunehmende Geräusch nah, oder in der Ferne? Je nach Anwendung kann der Aufbau des Mikrofons angepasst werden.