Thiele-Small-Parameter
Diese Kennzahlen sollten Sie gehört haben, wenn Sie Lautsprecher selbst bauen wollen
Lautsprechertreiber und -gehäuse sind in ihrem Design und ihrer Funktionalität recht komplex. Deswegen können wir sie mit einer Vielzahl von Spezifikationen und Parametern messen. Einige davon sind die Thiele-Small-Parameter. Die wichtigsten erklären wir in diesem Artikel.
Was sind Thiele-Small-Parameter?
Thiele-Small-Parameter sind eine Untergruppe von Lautsprecherspezifikationen. Sie stehen meist auf den Datenblättern einzelner Membrane oder kompletter Lautsprecherboxen. Thiele-Small(T/S)-Parameter entstehen durch eine Reihe von Messungen, die die
- mechanischen,
- elektrischen und
- elektromechanischen
Eigenschaften eines Lautsprechers definieren. Die Thiele-Small-Parameter gelten insbesondere für einzelne Chassis und Gehäuse (mit oder ohne Belüftung). Sie geben Aufschluss über Design und Leistung des Lautsprechers.
Die Geschichte der Thiele-Small-Parameter
Die T/S-Parameter sind benannt nach dem Ingenieur Albert Neville Thiele von der Australian Broadcasting Commission und Richard H. Small von der Universität Sydney. Beide haben mit ihren Spezifikationen für die Analyse von Lautsprechern Pionierarbeit geleistet. Die ursprüngliche Reihe der Parameter von Thiele stammt aus dem Jahr 1961, Small erweiterte diese mit seinen Veröffentlichungen ab 1972. Auch später haben Audio-Profis die Liste erweitert. Heute nutzen viele Hersteller die Parameter.
Warum sind Thiele-Small-Parameter wichtig?
Für den Konsumenten und späteren Nutzer sind die Parameter nicht so besonders wichtig. Wenn Sie aber selbst Lautsprecher bauen, sind die Thiele-Small-Parameter eine Methode, um die potenzielle Funktionalität des Lautsprechers zu verstehen. Die Thiele-Small-Parameter geben dem Konstrukteur auch eine gute Vorstellung davon,
- wie groß das Gehäuse und
- wie lang die Bassreflexöffnung sein sollte.
Viele erfahrene Konstrukteure möchten in Selbstbau-Projekten ganz bestimmte Kennzahlen mit ihren Lautsprechern erreichen. Sie arbeiten von diesen angestrebten Ziel-Kennzahlen aus rückwärts, indem sie spezifische Audio-Komponenten auswählen, die sie dann zum angestrebten „Ziellautsprecher“ führen.
Die Thiele-Small-Parameter zeigen, wie ein Treiber in einem Gerät funktionieren wird. Wir erfahren etwas über die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigungseigenschaften der Membran, die Impedanz des Treibers und den Gesamtklang.
Die wichtigsten Thiele-Small-Parameter
Es ist wichtig zu wissen, dass das System auf der Theorie der Schaltungsanalyse basiert. Alle Parameter sind mit Komponenten wie Kondensatoren, Induktivitäten und Widerständen verknüpft. Daher sind die meisten Parameter eng miteinander verbunden und durch mathematische Gleichungen miteinander verflochten. Wir stellen in diesem Artikel die wichtigsten Parameter vor.
Die Resonanzfrequenz (Fs)
Gemessen in Hertz. Die Resonanzfrequenz Fs (manchmal auch F0) bezieht sich auf die Resonanzfrequenz des Lautsprechertreibers in freier Luft. Es ist die Frequenz, bei der sich der Lautsprecher mit minimalem Aufwand bewegt.
Die Resonanzfrequenz ist der Punkt, an dem sich das Gewicht der beweglichen Teile des Lautsprechers mit der Kraft der Lautsprecheraufhängung ausgleicht, wenn er sich bewegt.
Eine nachgiebigere Aufhängung (höherer Cms) und eine größere bewegte Masse (höherer Mms/Mmd) führen zu einer niedrigeren Resonanzfrequenz (niedrigeres Fs). Ohne die Hilfe eines Gehäuses mit Öffnungen ist der Lautsprecher bei der Wiedergabe von Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz viel weniger effizient. Eingangssignale, die weit unter der Resonanzfrequenz liegen, können Schäden am Lautsprecher verursachen.
Der Fs-Parameter ist der Punkt, ab dem der Frequenzgang des Lautsprechers im unteren Bereich abfällt. Er ist nur für Tieftöner und Subwoofer von Bedeutung.
Denn von diesen Lautsprechern erwarten wir, dass sie Frequenzen nahe (und unterhalb) der Resonanzfrequenz erzeugen. Unter gleichen Bedingungen ist ein Lautsprecher mit einem niedrigeren Fs-Wert besser für die Wiedergabe von tiefen Frequenzen geeignet. Beachten Sie: Das ist eine Faustregel – es gibt weitere Parameter, die für den endgültigen Frequenzgang des Lautsprechers eine Rolle spielen.
Nachgiebigkeit (Cms)
Gemessen in Meter pro Newton (m/N). Der Cms-Wert beschreibt die Nachgiebigkeit der Aufhängung des Lautsprechers. Die Nachgiebigkeit setzt sich aus der Spinne und der Sicke zusammen. Dieser Parameter ist die Kraft, die von der mechanischen Aufhängung des Lautsprechers ausgeübt wird. Cms ist proportional zum „Compliance Equivalent Volume“ (Vas). Die Nachgiebigkeit des Lautsprechers ist auch mit der Resonanzfrequenz (Fs) des Lautsprechers verbunden. Wenn das Cms steigt, sinkt die Fs. Der Grund: Eine steifere Aufhängung ermöglicht kürzere und schnellere Schwingungen, eine lockere Aufhängung sorgt für längere und langsamere Schwingungen. Eine höhere Nachgiebigkeit bedeutet, dass der Treiber leichter zu bewegen ist. Das wirkt sich jedoch auf die Fähigkeit der Aufhängung aus, seitliche Bewegungen zu verhindern, Stöße zu absorbieren und die Resonanz des Treibers zu verringern.
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Bewegte Masse (Mms)
Gemessen in Gramm. Dieser Thiele-Small-Parameter kombiniert die Mmd-Masse mit der Luftlast. Die Luftlast (auch: Abstrahlmasse des Treibers) ist das Gewicht der Luft, die der Treiberkonus drücken muss, um als Schallwandler zu funktionieren. Die Strahlungsmasse des Treibers ist das Gewicht der Luft, das mit dem Parameter des Verdrängungsvolumens (Vd) übereinstimmt. Je höher Mmd und Mms sind, desto niedriger ist die Resonanzfrequenz (Fs). Hier gilt eine einfache Faustregel: Es wird mehr Energie benötigt, um schwerere Objekte zu bewegen.
Schwerere Membranen neigen dazu, langsamer zu schwingen als leichtere Membranen (unter gleichen Bedingungen). Wenn Mmd und Mms zunehmen, sinkt der Wirkungsgrad (η0).
Mechanische Güte (Qms)
Alle Q-Messungen (Quality Factors) beziehen sich auf den Grad der relativen Dämpfung eines Lautsprechers. Sie beschreiben, wie gut der Treiber seine Bewegung bei der Resonanzfrequenz kontrolliert. Niedrige Q-Werte bedeuten mehr Kontrolle. Der Parameter Qms bezieht sich speziell auf die mechanische Dämpfung des Lautsprechers aufgrund der Verluste in der Aufhängung (Spinne und Sicke).
Höhere Qms-Werte bedeuten geringere mechanische Verluste und mehr Kontrolle über die physikalische Bewegung des Lautsprechers.
Ein höherer Qms-Wert bewirkt eine höhere Spitzenimpedanz (Zmax) bei der Resonanzfrequenz (Fs) des Treibers. Ein Indikator für niedrige bzw. hohe Qms-Werte ist, ob der Spulenkörper aus Metall besteht oder nicht. Ein metallischer Spulenkörper hat aufgrund der Schwingspule und der magnetischen Struktur sein eigenes Magnetfeld, das bei der Bewegung des Lautsprechers induziert wird. Durch die Wechselwirkung mit der Schwingspule wird die Dämpfung erhöht. Bei einem nichtmetallischen Spulenkörper können die Schwingspule und die magnetische Struktur ohne zusätzliche Dämpfung miteinander interagieren.
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Elektrische Güte (Qes)
Das „elektrische Gegenstück“ zum Qms. Der Qes-Parameter bezieht sich auf die elektrische Dämpfung des Lautsprechers durch die Schwingspule und den Magnetmotor. Die Schwingspule erzeugt bei ihrer Bewegung durch das Magnetfeld eine entgegengesetzte elektromotorische Kraft. Die wirkt dem Strom des Audiosignals und damit der Bewegung des Lautsprechers entgegen. Diese elektromotorische Kraft ist proportional zum Kraftfaktor (BL) mal der Geschwindigkeit der Membran und verantwortlich für Qes und die erhöhte Impedanz (Zmax) bei der Resonanzfrequenz (Fs). Letztlich hängt die elektrische Dämpfung eines Lautsprechertreibers von der Dämpfung des Treibers und der Dämpfung des angeschlossenen Verstärkers ab. Die Formeln, um Qes zu berechnen, gehen immer von einer Ausgangsimpedanz des Verstärkers von null aus. Wenn ein Verstärker verwendet wird, addieren Sie dessen Ausgangsimpedanz bei Berechnungen mit Qes zum Gleichstromwiderstand (Re).
Qualität ist natürlich immer das Ziel beim Bau eines Lautsprechers. Aber neben der Entwicklung eines „guten“ Systems hat die Qualität noch eine weitere Anwendung im Lautsprecherbau. Sie wird hauptsächlich mit dem Buchstaben Q bezeichnet. Q ist die Abkürzung für den Qualitätsfaktor. Dieses einheitenlose Maß ist der Kehrwert der Dämpfung. Das bedeutet: Ein höheres Q ist ein weniger gedämpftes System. Der Wert gibt an, wie lange ein Resonator in Resonanz bleibt. Q gibt an, wie oft sich die Masse hin und her bewegt, wobei jede Bewegung kürzer ist als die vorhergehende, so lange, bis sich das System wieder in Ruhelage befindet.
Gesamtgüte (Qts)
Qts ist eine Kombination aus dem mechanischen Q (Qms) und dem elektrischen Q (Qes). Auch hier gilt: Niedrige Q-Werte bedeuten mehr Kontrolle. Auch wenn es Ausnahmen gibt, können Qts-Werte im Allgemeinen Folgendes aussagen:
Qts ≤ 0,4 bedeutet, dass der Lautsprecher gut für ein Gehäuse mit Öffnungen und Belüftung geeignet ist.
0,4 < Qts < 0,7 bedeutet, dass der Lautsprecher gut für ein geschlossenes Gehäuse geeignet ist.
Qts ≥ 0,7 zeigt an, dass der Lautsprecher gut für Freiluftanwendungen mit unendlicher Schallwand geeignet ist.
Äquivalentvolumen (Vas)
Das Äquivalentvolumen misst das Luftvolumen, das die gleiche Druckempfindlichkeit aufweist wie die Aufhängung des Treibers (Cms), wenn ein Gegenstand mit der gleichen Kegeloberfläche (Sd) wie der Treiber darauf einwirkt. Um zu verstehen, was das bedeutet, müssen wir etwas ausholen: Die Luft in einem Gehäuse hat eine gewisse Druckempfindlichkeit. Versuchen wir die Luft im Gehäuse zu komprimieren, entsteht ein Widerstand. Je kleiner das Gehäuse, desto schwerer ist es, die Luft zu komprimieren – sie gibt weniger nach. Das Äquivalentvolumen ist das Luftvolumen in einem Gehäuse, das die gleiche Nachgiebigkeit aufweist wie die mechanische Nachgiebigkeit des Lautsprechers (Cms). Dementsprechend ist dieser Parameter nur für Lautsprecher mit geschlossenem Gehäuse sinnvoll.
Faustregel: Ein höherer Vas-Werte bedeutet, dass der Lautsprecher ein größeres Gehäuse benötigt.
Vergleichen Sie die Ausschläge eines Audiosignals mit einer Rallye-Strecke: Die ideale Lautsprecheraufhängung ist wie das Fahrwerk des Autos. Es muss das schwierigste auf der Strecke vorhandene Gelände meistern, ohne Schaden zu nehmen. Und auch wenn das Gelände auf der Rallyestrecke nicht immer schwierig ist, muss die Aufhängung des Autos für den „worst case“ ausgebaut sein. Trotzdem darf das Fahrwerk nur so „rau“ eingestellt sein, dass die Performance so wenig wie möglich dadurch abnimmt.
Gleichstromwiderstand (Re)
Re ist der Gleichstromwiderstand der Schwingspule eines Lautsprechers. Üblicherweise wird Re gemessen, um einen Schätzwert für eine unbekannte (Nenn-)Impedanz zu erhalten. Re ist nicht nur für grobe Schätzungen, sondern auch für die Berechnung von Qms nützlich.
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Kraftfaktor (BxL)
Der Kraftfaktor (auch: BL-Produkt) misst die Stärke des Lautsprechermotors. Stärkere Motoren sind eher in der Lage, größere Membranen zu bewegen, und verarbeiten mehr Leistung. Einfach ausgedrückt: Ein bestimmtes Gewicht wird auf der Membran befestigt und die Membran damit niedergedrückt. Die Messung sagt nun, wie viel Strom nötig ist, um die Membran zurück in die Ausgangslage zu bringen. Aber: Ein höherer BL-Wert bedeutet nicht unbedingt mehr Effizienz oder Empfindlichkeit, auch nicht mehr Leistung, einen höheren Wirkungsgrad und auch nicht zwangsläufig einen höheren Schalldruckpegel. Die Wirksamkeit des Kraftfaktors ist proportional zur Größe des Lautsprechers. Größere Lautsprecher erfordern höhere BL-Faktoren. Daher kann die „hohe“ Wertung eines kleinen Lautsprechers durchschnittlich oder sogar niedrig sein, wenn sie auf einen großen Lautsprecher angewendet wird.
Im Allgemeinen führen hohe BL-Werte zu einem besseren Einschwingverhalten eines Lautsprechers, da der Motor die Membran mit größerer Geschwindigkeit und Genauigkeit steuern kann.
Efficiency Bandwidth Product (EPB)
Gemessen in Hertz (Hz). Der EPB-Parameter ist aus anderen Werten abgeleitet und hilft dabei, zu bestimmen, welche Art von Gehäuse am besten für den Lautsprecher geeignet ist. Für Einsteiger reicht diese Faustformel:
- EPB > 100: Der Treiber ist gut geeignet für ein Gehäuse mit Öffnungen.
- EPB < 50: Der Treiber ist gut geeignet für ein geschlossenes Gehäuse.
Schwingspuleninduktivität (Le)
Gemessen in Millihenry (mH). Dieser Thiele-Small-Parameter beschreibt die Induktivität der Schwingspule. Die Induktivität ist die Tendenz eines elektrischen Leiters, sich einer Änderung des durch ihn fließenden elektrischen Stroms zu widersetzen. Der Kontext zu Audiotechnik: Audiosignale sind Wechselstromsignale. Der Strom, der durch eine Schwingspule fließt, ändert sich also ständig. Die sehr empfindlichen Schwingspulen müssen also der Bewegung widerstehen, wenn der Strom wechselt. Das passiert durch eine Gegen-Elektromagnetische Kraft (auch: Gegen-EMK), die wiederum einen Strom in die entgegengesetzte Richtung bewirkt. Eine Art Konter-Strom. Die Situation ist also: Das Audiosignal versucht die Spule in eine Richtung zu bewegen, die Gegen-EMK versucht sie in die andere Richtung zu bewegen. Die Physik dahinter würde den Rahmen sprengen, aber: Weil höhere Frequenzen höhere Änderungsraten ihrer Wechselströme aufweisen, steigt dadurch die Impedanz. Das bedeutet:
Hohe Le-Werte führen meist zu einem schlechten Frequenzgang im Hochtonbereich. Das kann ein Problem für Hochtöner sein, nicht für Tieftöner und Subwoofer.
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Maximale Lineare Auslenkung (XMAX)
Gemessen in Millimetern. Dieser Parameter beschreibt die maximale Entfernung, die ein Lautsprecher linear zurücklegen kann, ohne dass der Klang verzerrt wird. Der technische Hintergrund: Die Schwingspule hat eine bestimmte Höhe und schwingt innerhalb des Magnetspalts des Treibermotors auf und ab. Wenn sich die Spule zu weit bewegt und den Magnetspalt verlässt, hat das Audiosignal deutlich weniger Kontrolle über das System. Ergebnis: Der Lautsprecher verzerrt. Zusammen mit der Konusfläche wirkt sich dieser Parameter direkt auf den potenziellen Schalldruck des Lautsprechers aus.
Effektive Membranfläche (Sd)
Die Effektive Membranfläche misst die Fläche der Membran, die sich bewegt, um Schall zu erzeugen. Der Messwert lässt sich aus der Fläche ableiten, die sich aus dem gesamten Durchmesser der Membran plus ⅓ bis ½ der Breite der Sicke ergibt. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass Lautsprecher mit gleichem Membrandurchmesser sehr unterschiedliche Effektive Membranflächen haben können, wenn sie unterschiedlich breite Sicken haben. Der Sd-Parameter beeinflusst mit der Maximalen Linearen Auslenkung den potenziellen maximalen Schalldruckpegel des Treibers.
Zuletzt gilt für die Thiele-Small-Parameter aber auch: Sie vermitteln nur eine ungefähre Vorstellung von der Leistung eines Lautsprechers. Seien Sie sich darüber im Klaren, dass die Annäherung mit diesen Parametern nur so genau ist, dass sich die Leistung innerhalb von etwa einem dB vorhersagen lässt. Jede technische Theorie ist letztendlich eine Vereinfachung dessen, was in der Praxis dann geschieht. Aus diesem Grund sind einige Vorhersagen mit Thiele-Small-Parametern manchmal unzureichend – nicht aufgrund eines Versagens der grundlegenden Theorie, sondern eher durch ihre Anwendung auf Umstände, unter denen ihre idealen, vereinfachenden Annahmen nicht mehr gelten. Mehr zum Lautsprecherbau finden Sie hier in unserem Magazin.
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