Wirbelströme und Hysterese im Lautsprecherantrieb

Was sind Wirbelströme und Hysterese im Lautsprecherantrieb — und warum verzerrt ausgerechnet das Eisen, das den Antrieb stark macht?

Der Antrieb eines dynamischen Lautsprechers besteht aus einem Dauermagneten und einer Eisenstruktur, die dessen Feld im Luftspalt bündelt, sowie der Schwingspule, die sich darin bewegt. Sobald durch die Spule ein Wechselstrom fließt, erzeugt sie ein eigenes Wechselfeld — und das massive Eisen um sie herum reagiert darauf auf zwei Arten, die beide Energie kosten und beide das Signal verändern.

Im Inneren eines Lautsprechers steckt neben dem Magneten ein Klotz aus Eisen. Er ist dafür da, das Magnetfeld dorthin zu lenken, wo es gebraucht wird. Eisen hat aber eine unangenehme Eigenschaft: In einem sich ständig ändernden Magnetfeld fangen darin von selbst kleine Ströme an zu kreisen, und das Eisen wehrt sich außerdem dagegen, ständig umgepolt zu werden. Beides kostet Energie, und beides tut es nicht gleichmäßig, sondern je nach Tonhöhe und Lautstärke unterschiedlich stark. Das Ergebnis: Der Lautsprecher gibt nicht ganz genau das ab, was hineingeht. Der Effekt ist nicht dramatisch, aber er ist da — und weil er sich mit ein paar Gramm Kupfer oder Aluminium an der richtigen Stelle deutlich verkleinern lässt, machen die Hersteller, die es ernst meinen, genau das.

Ausführliche Erklärung

Zwei Vorgänge sind zu unterscheiden, auch wenn sie meist gemeinsam auftreten und in der Messung schwer zu trennen sind.

Wirbelströme entstehen, weil ein sich änderndes Magnetfeld in jedem elektrisch leitfähigen Material Spannungen induziert. In einem massiven Eisenkern schließen sich diese Spannungen zu Strömen kurz, die in Schleifen im Material kreisen. Diese Ströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, das dem verursachenden entgegenwirkt, und sie wandeln Energie in Wärme um.

Hystereseverluste entstehen bei der Ummagnetisierung selbst. Ein ferromagnetischer Werkstoff folgt einem Wechselfeld nicht auf demselben Weg hinauf wie hinunter; die Magnetisierung hinkt hinterher. Die von dieser Schleife eingeschlossene Fläche ist die Energie, die je Zyklus in Wärme übergeht.

Beides zusammen wird in der Elektrotechnik als Eisenverluste geführt, und beides ist frequenzabhängig — Wirbelströme nehmen mit der Frequenz stärker zu als Hystereseverluste.

Was das messtechnisch bedeutet

Die sauberste Beschreibung stammt von John Vanderkooy, damals in der Audio Research Group am Physikinstitut der University of Waterloo, veröffentlicht 1989 im Journal der Audio Engineering Society. Sein Befund: Misst man die Impedanz eines elektrodynamischen Treibers bei blockierter Membran — also ohne den mechanischen Anteil —, dann folgt sie oberhalb des unteren Bereichs nicht dem, was eine ideale Spule erwarten ließe. Statt eines Anteils, der proportional zur Frequenz wächst, findet man einen, der mit der Wurzel aus jω verläuft. Verantwortlich dafür sind die Wirbelströme in der eisernen Polstruktur; die Theorie beschreibt einen Übergang von diesem halbinduktiven Verhalten bei hohen Frequenzen zu normalem induktivem Verhalten bei tiefen.

Für die Praxis heißt das: Die Schwingspuleninduktivität Le ist keine Konstante. Sie steht zwar in jedem Datenblatt als eine Zahl, beschreibt aber eine Größe, die sich mit der Frequenz ändert — und zusätzlich mit der Position der Schwingspule im Spalt, weil sich mit dem Hub ändert, wie viel Eisen die Spule umgibt. Die zweite Abhängigkeit trägt die Bezeichnung Le(x) und ist der eigentlich problematische Teil, denn eine Größe, die sich mit der Auslenkung ändert, erzeugt Verzerrungsprodukte: Ein tiefer Ton mit großem Hub moduliert damit die Wiedergabe der höheren Anteile, die gleichzeitig anliegen.

Vanderkooy behandelt in derselben Arbeit auch, dass die Wirbelströme die Polstruktur direkt erwärmen — die Verluste landen also nicht nur als Wärme in der Schwingspule, sondern auch im Eisen — und dass sich der halbinduktive Anteil elektrisch kompensieren lässt.

Was Hersteller dagegen tun

Die Gegenmaßnahmen laufen alle darauf hinaus, dem Wechselfeld der Schwingspule einen besseren Weg anzubieten als das massive Eisen — oder das Eisen so zu wählen, dass sich Wirbelströme darin schlecht ausbilden.

Kurzschlussringe und -kappen. Ein Ring oder eine Hülse aus Kupfer oder Aluminium, im Antrieb an der richtigen Stelle platziert, wirkt wie eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung. Das Wechselfeld der Schwingspule induziert dort einen Strom, dessen Gegenfeld die Feldänderungen im Eisen weitgehend aufhebt. Der Ring nimmt damit den Wirbelströmen die Ursache. Er kostet Bauraum im Luftspaltbereich und damit potenziell Antriebsstärke — das ist der Zielkonflikt, in dem diese Bauteile ausgelegt werden.

Kernwerkstoffe mit geringer Leitfähigkeit. Pulverwerkstoffe, in denen elektrisch gegeneinander isolierte Metallpartikel in einem Binder liegen, führen das Magnetfeld, ohne dass sich großflächige Stromschleifen bilden können. Sie sind mechanisch und magnetisch anspruchsvoller als massives Eisen und teurer.

Beides sind Konstruktionsentscheidungen, die man einem Lautsprecher von außen nicht ansieht und die im Datenblatt allenfalls als Stichwort auftauchen.

Häufiges Missverständnis

„Ein stärkerer Magnet macht einen besseren Antrieb." Die Antriebsstärke ist eine von mehreren Eigenschaften und sagt über die Verluste im Eisen nichts. Zwei Chassis mit derselben Antriebsstärke können sich in ihrem Verhalten über Frequenz und Hub deutlich unterscheiden, je nachdem, wie die Eisenstruktur gestaltet ist. Der Magnet liefert das Feld, das Eisen führt es — und die Verluste entstehen im Eisen, nicht im Magneten.

„Die Induktivität steht im Datenblatt, damit ist das erledigt." Der Zahlenwert für Le ist eine Messung bei einer bestimmten Frequenz und in Ruhelage. Er beschreibt weder den Frequenzverlauf noch die Hubabhängigkeit — also genau die beiden Eigenschaften, um die es hier geht. Ein Datenblatt mit einer Le-Angabe sagt über diese Frage so viel wie eine einzelne Temperaturmessung über ein Klima. Aussagekräftig wäre ein gemessener Impedanzverlauf über die Frequenz, und zwar bei blockierter Membran.

„Das ist doch ein Effekt fünfter Ordnung, den hört niemand." Er ist klein gegenüber dem, was der Raum anrichtet, und das gehört dazugesagt. In der Rangfolge dessen, was ein Ergebnis im Wohnraum bestimmt, stehen Aufstellung, Raumakustik und Abstrahlverhalten weit vorn und die Eisenverluste des Antriebs weit hinten. Sie sind trotzdem der Grund, warum Hersteller Aufwand an einer Stelle treiben, die niemand sieht — und beim Verständnis eines Datenblatts hilft es, zu wissen, wovon dort die Rede ist.

Nicht zu verwechseln mit

Membranaufbruch: Verformung der Membran oberhalb des Kolbenbereichs. Anderer Ort, andere Ursache, deutlich größere Wirkung — siehe Membranaufbruch.
Bl-Verzerrung: Die Antriebsstärke ändert sich über dem Hub, weil die Schwingspule den Bereich gleichmäßigen Feldes verlässt. Verwandt, weil ebenfalls hubabhängig, aber ein eigener Mechanismus.
Leistungskompression: Die Schwingspule erwärmt sich, ihr Widerstand steigt, der Wirkungsgrad sinkt. Thermisch statt magnetisch — siehe Leistungskompression.
Brummeinstreuung: Ein äußeres Störfeld koppelt ein. Keine Eigenschaft des Antriebs, sondern der Installation.
Hysterese in der Regelungstechnik: Eine Schaltschwelle mit Rückfallpunkt. Gleicher Name, anderes Fachgebiet.

Aus der Praxis

Zwei Tief-Mitteltöner sollen für einen Einbaulautsprecher verglichen werden. Die Thiele-Small-Parameter sind fast identisch, die Membranfläche ebenfalls; der eine kostet gut das Doppelte, und das Datenblatt nennt als Unterschied eine Kupferkappe auf dem Polkern.

Zu klären ist hier zuerst, ob dieser Unterschied für den vorgesehenen Einsatz überhaupt hörbar wird. Le(x)-Verzerrung wächst mit dem Hub, und der Hub hängt daran, wie tief das Chassis spielen muss. In einem System mit Subwoofer und einer Trennung im üblichen Bereich arbeitet der Tief-Mitteltöner mit vergleichsweise kleinem Hub, und der Unterschied fällt entsprechend kleiner aus. Soll dasselbe Chassis in einem Vollbereichssystem ohne Subwoofer bis hinunter arbeiten, sieht die Rechnung anders aus.

Für den Vergleich selbst ist die brauchbarste Angabe nicht der Le-Wert, sondern ein Impedanzverlauf über die Frequenz — daran ist ablesbar, ob der Anstieg dem einer Spule folgt oder flacher verläuft. Wo dieser Verlauf fehlt, bleibt die Konstruktionsbeschreibung als Indiz.

Bei der Entscheidung selbst gehört der Antrieb dann an seinen Platz in der Rangfolge: hinter Abstrahlverhalten, Belastbarkeit und Einbausituation. Ein Chassis, das an dieser Stelle vorbildlich ist und im Raum falsch sitzt, gewinnt keinen Vergleich.

Verknüpfte Inhalte

Was die Impedanz eines Lautsprechers überhaupt beschreibt und warum sie kein fester Wert ist, steht bei der Impedanz; welche Kenngrößen ein Chassis sonst noch hat, bei den Thiele-Small-Parametern. Der thermische Verwandte dieses Effekts ist die Leistungskompression, der deutlich größere Bruder auf der mechanischen Seite der Membranaufbruch. Was der Verstärker mit einem Impedanzverlauf anfangen muss, behandelt die Verstärkerleistung; wie effizient ein Chassis überhaupt arbeitet, der Wirkungsgrad.

Quellen

Die messtechnische Beschreibung — der Wurzel-jω-Verlauf der Impedanz bei blockierter Membran, die Zuordnung zu Wirbelströmen in der Polstruktur, der Übergang zwischen halbinduktivem und induktivem Verhalten, die direkte Erwärmung der Polstruktur und die Möglichkeit elektrischer Kompensation — stammt aus der Veröffentlichung von John Vanderkooy im Journal der Audio Engineering Society von 1989, die über den AES-Katalog nachgewiesen ist. Die Unterscheidung zwischen Wirbelstrom- und Hystereseverlusten ist Standard der Elektrotechnik.