Mikrofon und Lautsprecher
Auf dem Schulfest in Dortmund spricht Lea ins Mikrofon, und ihre Stimme kommt aus den Lautsprechern in der ganzen Turnhalle. Dabei fließt zwischen Mund und Ohr kein Schall durch das Kabel. Was läuft dann durch die Leitung, und wie wird aus Schall ein Signal und wieder aus einem Signal Schall?
Vom Schall zum Signal und zurück
Schall ist eine Schwingung der Luft. Eine Stimme setzt die Luftteilchen in Schwingung, und diese Druckschwankungen breiten sich als Schallwelle aus. Durch ein Kabel kann Schall nicht laufen, ein elektrisches Signal aber schon. Deshalb braucht man Geräte, die umwandeln:
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Das Mikrofon wandelt Schall in ein elektrisches Signal um (Schallwelle → Wechselspannung).
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Der Verstärker macht das Signal stärker, ohne seine Form zu ändern.
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Der Lautsprecher wandelt das elektrische Signal wieder in Schall um (Wechselstrom → Schallwelle).
Das Signal ist dabei ein Abbild des Schalls: Schwingt die Luft schnell, schwankt die Spannung schnell (hohe Frequenz, hoher Ton). Schwingt die Luft stark, schwankt die Spannung stark (große Amplitude, lauter Ton).
Erkläre mit eigenen Worten, was ein Mikrofon macht: Welche Größe wird in welche andere Größe umgewandelt?
Erkläre mit eigenen Worten, was ein Mikrofon macht: Welche Größe wird in welche andere Größe umgewandelt?
Ordne die folgenden Stationen in der richtigen Reihenfolge für eine Sprachübertragung über einen Lautsprecher: Verstärker, Schallwelle der Stimme, Mikrofon,…
Ordne die folgenden Stationen in der richtigen Reihenfolge für eine Sprachübertragung über einen Lautsprecher: Verstärker, Schallwelle der Stimme, Mikrofon, Lautsprecher, elektrisches Signal, Schallwelle im Raum.
Das Mikrofon: Induktion
Das dynamische Mikrofon kennst du schon aus der Induktion (Generator): Spannung entsteht, wenn sich das Magnetfeld in einer Spule ändert.
Aufbau: Eine dünne Membran trägt eine Spule. Die Spule taucht in das Feld eines Dauermagneten ein. Die Schallwelle trifft auf die Membran und bewegt sie im Takt der Schwingung hin und her. Dadurch bewegt sich die Spule im Magnetfeld, und in ihr wird eine Wechselspannung induziert.
Je lauter der Ton, desto stärker schwingt die Membran, desto schneller ändert sich das Feld in der Spule und desto größer ist die induzierte Spannung. Je höher der Ton, desto schneller schwingt die Membran, desto schneller wechselt die Spannung.
Ein dynamisches Mikrofon enthält eine Membran, an der eine Spule befestigt ist, die sich im Feld eines Dauermagneten bewegt. a) Erkläre, warum in der Spule eine Spannung…
Ein dynamisches Mikrofon enthält eine Membran, an der eine Spule befestigt ist, die sich im Feld eines Dauermagneten bewegt.
- a) Erkläre, warum in der Spule eine Spannung entsteht, wenn jemand in das Mikrofon spricht.
- b) Begründe, warum die Spannung lauter Töne größer ist als die leiser Töne gleicher Frequenz.
Der Lautsprecher: Kraft auf die Spule
Der Lautsprecher ist fast gleich gebaut, arbeitet aber in umgekehrter Richtung. Er besteht aus Dauermagnet, Spule und Membran, die mit der Spule verbunden ist.
Fließt ein Strom durch die Spule, baut sie ein Magnetfeld auf und erfährt im Feld des Dauermagneten eine Kraft (wie beim Elektromotor). Ändert der Strom seine Richtung, ändert sich auch die Kraftrichtung. Bei Wechselstrom wird die Spule deshalb abwechselnd hin- und hergedrückt. Die Membran schwingt mit und setzt die Luft in Schwingung: Es entsteht Schall.
Wichtig:
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Die Membran schwingt mit derselben Frequenz wie der Wechselstrom.
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Größere Stromstärke → größere Kraft → größere Auslenkung → lauterer Ton.
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Höhere Frequenz → höherer Ton.
Zwischen Frequenz $f$ und Periodendauer $T$ gilt:
$$T = \frac{1}{f}$$Ein Lautsprecher besteht unter anderem aus einem Dauermagneten, einer Spule und einer Membran. a) Nenne die Aufgabe der Membran. b) Beschreibe, was mit der Spule…
Ein Lautsprecher besteht unter anderem aus einem Dauermagneten, einer Spule und einer Membran.
- a) Nenne die Aufgabe der Membran.
- b) Beschreibe, was mit der Spule geschieht, wenn ein elektrisches Signal durch sie fließt.
Ein Lautsprecher in der Turnhalle einer Realschule in Dortmund wird mit einem Wechselstrom der Frequenz $f = 440\,\text{Hz}$ betrieben. a) Mit welcher Frequenz schwingt…
Ein Lautsprecher in der Turnhalle einer Realschule in Dortmund wird mit einem Wechselstrom der Frequenz $f = 440\,\text{Hz}$ betrieben.
- a) Mit welcher Frequenz schwingt die Membran?
- b) Berechne die Periodendauer der Schwingung.
- c) Was ändert sich am Ton, wenn die Frequenz des Stroms verdoppelt wird?
Zwei Geräte, ein Bauprinzip
Mikrofon und Lautsprecher haben fast denselben Aufbau, aber die Energie läuft in entgegengesetzte Richtung:
| Mikrofon | Lautsprecher | |
|---|---|---|
| Eingang | Schallwelle | elektrisches Signal |
| Ausgang | elektrisches Signal | Schallwelle |
| Energieumwandlung | Bewegungsenergie → elektrische Energie | elektrische Energie → Bewegungsenergie |
| Prinzip | Induktion | Kraft auf stromdurchflossene Spule im Magnetfeld |
Deshalb kann ein Lautsprecher notfalls als Mikrofon dienen: Wird seine Membran vom Schall bewegt, wird in der Spule eine Spannung induziert. Die Qualität ist meist schlechter, weil die große, schwere Membran für Lautsprecher gebaut ist (Bass) und kleine, schnelle Schwingungen schlecht mitmacht. Umgekehrt ist ein Mikrofon als Lautsprecher kaum brauchbar: Seine Membran ist sehr leicht und die Spule dünn. Sie verträgt nur schwache Ströme und strahlt kaum Schall ab.
Rückkopplung: Steht das Mikrofon zu nah am Lautsprecher, entsteht ein Kreislauf: Schall → Mikrofon → Signal → Verstärker → Lautsprecher → Schall → wieder ins Mikrofon. Jede Runde wird das Signal stärker, bis es laut pfeift. Abhilfe: Abstand vergrößern, Mikrofon nicht auf den Lautsprecher richten oder die Verstärkung verringern. Dadurch kommt weniger Schall zurück und der Kreislauf schaukelt sich nicht mehr auf.
Ein Mikrofon und ein Lautsprecher benutzen beide Spule und Magnet. Vergleiche die Energieumwandlungen in beiden Geräten und nenne jeweils das zugrunde liegende…
Ein Mikrofon und ein Lautsprecher benutzen beide Spule und Magnet. Vergleiche die Energieumwandlungen in beiden Geräten und nenne jeweils das zugrunde liegende physikalische Prinzip.
Ein Lautsprecher kann im Notfall auch als Mikrofon verwendet werden. a) Erkläre, warum das grundsätzlich funktioniert. b) Begründe, warum die Tonqualität dabei meist…
Ein Lautsprecher kann im Notfall auch als Mikrofon verwendet werden.
- a) Erkläre, warum das grundsätzlich funktioniert.
- b) Begründe, warum die Tonqualität dabei meist schlechter ist als bei einem echten Mikrofon.
- c) Begründe, ob ein Mikrofon umgekehrt ebenso gut als Lautsprecher taugt.
Bei einer Schulaufführung entsteht ein lautes Pfeifen (Rückkopplung), wenn das Mikrofon zu nah am Lautsprecher steht. a) Beschreibe den Kreislauf der Signalumwandlungen,…
Bei einer Schulaufführung entsteht ein lautes Pfeifen (Rückkopplung), wenn das Mikrofon zu nah am Lautsprecher steht.
- a) Beschreibe den Kreislauf der Signalumwandlungen, der zur Rückkopplung führt.
- b) Nenne zwei Maßnahmen, die das Pfeifen verhindern, und begründe sie physikalisch.
Laufzeit von Schall und Signal
Schall breitet sich in Luft mit etwa $340\,\text{m/s}$ aus, elektrische Signale in Kabeln fast mit Lichtgeschwindigkeit, etwa $3 \cdot 10^8\,\text{m/s}$. Die Laufzeit ist
$$t = \frac{s}{v}$$Folgerung für große Hallen: Das Signal erreicht alle Lautsprecher praktisch sofort, der Schall braucht für 100 m schon rund 0,3 s. Hört man den nahen und den fernen Lautsprecher zugleich, entsteht ein Echo. Deshalb steuert man entfernte Lautsprecher mit einer kleinen elektrischen Verzögerung an, sodass ihr Schall gleichzeitig mit dem Schall von der Bühne ankommt.
Der Schall eines Handyklangs braucht von einem Lautsprecher bis zum Mikrofon in $d = 3{,}4\,\text{m}$ Entfernung eine bestimmte Zeit. Die Schallgeschwindigkeit beträgt…
Der Schall eines Handyklangs braucht von einem Lautsprecher bis zum Mikrofon in $d = 3{,}4\,\text{m}$ Entfernung eine bestimmte Zeit. Die Schallgeschwindigkeit beträgt $v = 340\,\text{m/s}$, das elektrische Signal im Kabel soll näherungsweise mit $3 \cdot 10^8\,\text{m/s}$ laufen.
- a) Berechne die Laufzeit des Schalls und des elektrischen Signals über $3{,}4\,\text{m}$.
- b) Beurteile, ob es bei einer Beschallung einer großen Halle sinnvoll ist, zusätzliche Lautsprecher am Hallenende elektrisch verzögert anzusteuern.
Zurück zum Anfang: Durch das Kabel läuft ein elektrisches Signal, das den Schall abbildet. Das Mikrofon erzeugt es durch Induktion, der Lautsprecher macht daraus durch die Kraft auf die Spule wieder Schall.