Plasmahochtöner

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Ein Plasmahochtöner ist ein Hochtonlautsprecher ohne Membran. Die Schwingung wird durch eine Plasmaflamme erzeugt.

Plasmahochtöner mit geöffnetem Frontgitter.

Obwohl er auch oft Teslahochtöner genannt wird, wurde der Plasmahochtöner weder von Nikola Tesla erfunden noch gebaut. Er nutzt lediglich oft von Tesla erfundene oder geprägte Bauteile wie die Resonanzspule. Diese ist eine Teslaspule.

Funktionsprinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Plasmahochtöner[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Ionenlautsprecher oder Plasmahochtöner wird die physikalische Eigenschaft der Luft genutzt, sich beim Erwärmen auszudehnen. Dazu wird mit einem Hochspannungsverstärker zwischen einer Messing-Anode und einer Messing-Kathode in einem Glasröhrchen ein leuchtendes Luftplasma erzeugt, dessen Volumen sich mit der Amplitude und Frequenz der Musik verändert.

Ionenhochtöner[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es werden auch Ionenhochtöner gebaut, die mit Hochfrequenz arbeiten, die Entladung wird von einer Wolframspitze direkt an die Umgebungsluft abgegeben. Der Ionenhochtöner für sich kommt theoretisch dem idealen Hochtonschallwandler sehr nahe, da seine Membran (Luft) so gut wie massefrei arbeitet und bei ihm auch keine Partialschwingungen (Verbiegungen) auftreten können, die zu den klanglichen Verfärbungen normaler Membranmaterialien führen. Ausgeführt ist der Hochtöner entweder als Rundstrahler (Magnat, entwickelt vom Physiker Siegfried Klein) oder mit einem Hornvorsatz für einen höheren Schalldruck.

Ein Ionenhochtöner funktioniert, indem ein Hochfrequenzoszillator amplitudenmoduliert wird. Dies macht man auch, um ein Tonsignal in die Sendefrequenz eines Rundfunksenders „einzubetten“. Allerdings wird die Hochfrequenz, die bei einem Radiosender über eine Antenne abgestrahlt würde, bei einem Plasmahochtöner in die Resonanzspule gegeben. Durch die Resonanzspule wird die Spannung auf 10–20 kV hochtransformiert, der Spannungsbauch liegt am Ende der Spule. Dort wird eine Elektrode angeschlossen. Durch die hohe Spannung an dieser Elektrode wird die Luft ionisiert, sodass eine Plasmaflamme sichtbar wird (Koronaentladung).

Die Flammengröße folgt der Amplitudenmodulation und damit dem Energieeintrag in einem thermodynamischen Kreisprozess. Durch die Änderung des Volumens der Flamme wird die umgebende Luft beschleunigt, und Schall abgestrahlt. Die Anpassung der oszillierenden Flamme an den Strahlungswiderstand der umgebende Luft ist optimal, sodass ein weit ausgedehnter, phasenlinearer Frequenzgang erzielt wird.

Ein ähnliches Prinzip wird auch bei modulierten Tesla-Transformatoren benutzt. Auch mit ihnen kann ein Ton erzeugt werden.

Praktische Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Frequenzgang ist messbar von 2500 Hz bis über 100 kHz (weiter gehen die üblichen Messmikrofone nicht; Schätzungen gehen bis 800 kHz) ausgedehnt. Die Auditive Wahrnehmung des Menschen endet jedoch schon bei 20 kHz. Die phasenstarre Wiedergabe des Arbeitsprinzips bietet für das menschliche Hörvermögen keine Vorteile. Sie muss durch eine notwendige Frequenzweiche, und die räumlich getrennte Installation der Schallerzeuger von Mittel- und Hochton ohnehin aufgegeben werden (Gruppenlaufzeit).

Darüber hinaus sieht sich die Schallerzeugung ähnlichen Problemen gegenüber, die auch für konventionellere Lautsprecher gelten. Schon bei der Ausleitung der mechanischen Arbeit aus der thermischen Energie des Gases entstehen wegen der nichtlinearen Kennlinie Signalverzerrungen. Die eingebrachte thermische Energie wird durch Wärmestrahlung und einen kontinuierlichen Austausch des Arbeitsgases abgeleitet. Beide Vorgänge sind nur unter größerem Aufwand kontrolliert zu gestalten.

Die maximal verfügbare Schallenergie ist proportional zur Oberfläche der Flamme und bleibt damit stark beschränkt. So werden etwa 85 bis 95 dB in einem Meter Abstand als Maximalpegel angegeben[1]. Neuzeitliche Kalottenhochtöner erreichen dagegen kurzzeitig 105 dB bis 115 dB maximalen Schalldruck bei vernachlässigbaren Verzerrungen. Hornsysteme werden regelmäßig bei 125 dB kontinuierlichem Schalldruck betrieben.

Für ein praktisches System muss die Flammgröße auch über lange Betriebszeiten (Jahre) hinweg konstant gehalten werden. Weil sie notwendiger Weise auch schon durch das Signal veränderlich ist, entstehen durch Intermodulation weitere Verzerrungen.

Das Rundumstrahlen kann die bruchlose Kombination mit Mittel- und Tieftöner beeinträchtigen. Die omnipolare Version unterscheidet sich insofern von der durch ein Horn gebündelten Variante, die dann wiederum deren Nachteile übernimmt.

Problematisch an dieser Schallwandlungsmethode ist weiterhin, dass durch das starke ionisierende Feld größere Mengen Stickoxide erzeugt werden, die in Wechselwirkung mit dem Luftsauerstoff Ozon bilden. Durch den Einsatz von Katalysatoren in modernen Konstruktionen lässt sich die bei älteren Systemen deutliche Geruchsbelästigung inzwischen fast vollständig vermeiden. Gesundheitliche Schäden – auch bei längerem Betrieb – sind dabei nicht zu erwarten.

Die notwendige Hochfrequenz zur Ionisierung muss zur Vermeidung von Störungen des Funkverkehrs über die Betriebsdauer gut und sicher abgeschirmt bleiben.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Nikola Tesla: Meine Werke 6 Bde. Michaels-Verlag ISBN 3-89539-247-2
  • Thomas Görne: Tontechnik. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, Leipzig 2006, ISBN 3-446-40198-9
  • Wolfgang-Josef Tenbusch: Grundlagen der Lautsprecher. 1. Auflage, Michael E. Brieden Verlag, Oberhausen 1989, ISBN 3-980-1851-0-9

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. "Ulrich Haumann Plasma Speaker Homepage". Abgerufen am 27. Mai 2018.