Buzzery und Klangquellen, die in elektronischen Geräten verwendet werden

Ton- und Signalgeber, die von verschiedenen Geräten erzeugt werden, sind jedem bekannt. Das Klingeln eines Mobiltelefons, das Signal zum Beenden der Mikrowelle oder auch der von allen verhasste Morgenwecker – diese Beispiele ließen sich endlos fortsetzen. Einige von Euch interessieren sich sicherlich dafür, welche Komponenten für die Erzeugung dieser Töne verantwortlich sind. Wie funktionieren sie? Was steckt dahinter? Und schließlich, welches akustische Element sollte ich für mein Projekt wählen? Wenn Euch diese Fragen interessieren, seid Ihr hier genau richtig. In diesem Artikel möchten wir Euch das Thema akustische Elemente, die in der Elektronik verwendet werden näherbringen. Wir stellen die Eigenschaften der einzelnen Komponentenarten detailliert dar und erläutern beispielhafte Anwendungen.

Warum ist der Einsatz von Schallsignalen wichtig?

Oberflächlich mag es scheinen, als seien die von Geräten erzeugten Geräusche überflüssig und manchmal sogar störend. Doch das ist keineswegs der Fall – Ton- und Signalgeber erfüllen wichtige Funktionen, sowohl informativ als auch warnend. Eine der Hauptaufgaben von Signalgebern ist es, die Aufmerksamkeit des Nutzers zu erregen oder ihn über ein wichtiges Ereignis zu informieren. Die Verwendung eines Tonsignals ist hierfür die beste Lösung, da es aus der Ferne hörbar ist – die Person muss das Gerät nicht aktiv nutzen, um es wahrzunehmen. Soundeffekte sind auch integraler Bestandteil einiger Schnittstellen, insbesondere solcher ohne physische Tasten – als Beispiel seien Touchscreens genannt. Durch die Töne sprechen wir mehrere Sinne des Nutzers an und steigern gleichzeitig die Benutzerfreundlichkeit.

Welche Arten von akustischen Elementen gibt es?

Die in der Elektronik verwendeten Tonquellen lassen sich nach Funktionsweise, Versorgungsspannung, Lautstärke und Frequenz des erzeugten Tons sowie Gehäusetyp und -größe klassifizieren. Nachfolgend präsentieren wir eine Zusammenfassung der am häufigsten verwendeten Typen von akustischen Elementen, die Dir bei der Auswahl des passenden Bauteils hilft.

Elektromagnetische Summer

Diese Bauteile gehören zu den einfachsten Schallwandlern. Obwohl sie in verschiedenen Formen und Ausführungen vorkommen, ist das Funktionsprinzip identisch. Das Hauptelement ihres Aufbaus ist ein mechanisches System, bestehend aus Spule und Dauermagnet. Wird Wechselstrom an die Spule angelegt, erzeugt dies Vibrationen, die als Ton hörbar sind. Bei typischen elektromagnetischen Summern in der Elektronik liegt die Tonfrequenz zwischen mehreren hundert Hz bis zu einigen kHz. Diese Bauteile haben meist ein kleines, zylindrisches oder rechteckiges Gehäuse zum Einbau auf Leiterplatten (PCB). Es gibt auch akustische Signalgeber zur Montage im Bedienfeld oder Gehäuse.

Summer mit integriertem Oszillator – wie funktionieren sie?

Der einfachste zu implementierende akustische Signalgeber ist der sogenannte Summer mit integriertem Oszillator („Buzzer“). Es reicht, Spannung anzulegen, und man erhält einen Ton – mehr muss man nicht beachten. Allerdings hat man keine Kontrolle über den Klang dieses Signalgebers. Er erzeugt einen einzelnen Ton mit einer festen Frequenz, was für die meisten einfachen Anwendungen völlig ausreicht. So kann z. B. ein kurzer Summerton das Antippen eines Touchscreen-Buttons begleiten. Möchte man dem Nutzer eine konkrete Information vermitteln, kann man eine bestimmte Abfolge von Tönen nutzen. Betrachten wir ein Beispiel – unser angebotener Summer mit Oszillator GMD-12065YB gehört zu den am häufigsten verwendeten Typen. Er besitzt ein zylindrisches Durchsteckgehäuse und wird mit einer Gleichspannung von 5 V betrieben. Trotz des geringen Stromverbrauchs von nur 30 mA erzeugt er einen Ton mit 85 dB Lautstärke. Dadurch ist er auch in lauter Produktionshalle gut hörbar. Das breite Arbeitstemperatur-Spektrum macht ihn geeignet für anspruchsvollere Anwendungen, und der Schutzaufkleber bewahrt die empfindliche Membran bei Montage und Reinigung der Leiterplatte. Die wichtigsten technischen Daten des Summers GMD-12065YB sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

Bezeichnung	GMD-12065YB
Typ	Elektromagnetischer Summer mit Oszillator
Abmessungen	Ø12,0 mm × 6,5 mm
Nennspannung	5 V DC
Nennstrom	30 mA
Tonfrequenz	2,7 kHz
Schalldruckpegel (SPL)	85 dB
Arbeitstemperatur	-20 bis 70 °C
Lagertemperatur	-30 bis 80 °C

Summer ohne Oszillator

Wie der Name schon sagt, haben diese Komponenten keinen integrierten Signalgenerator – ihre Eingangsanschlüsse sind direkt mit der Spule verbunden. Dadurch haben wir volle Kontrolle über den Klang des Summers – wir können Töne beliebiger Form und Frequenz erzeugen. Dies ist allerdings mit einem etwas höheren Aufwand im Schaltungsdesign verbunden, da ein entsprechendes Signal erzeugt werden muss. Meist wird hierfür ein Mikrocontroller mit einem dedizierten Digital-Analog-Wandler (DAC) eingesetzt, seltener Oszillatoren oder andere analoge Schaltungen. Die Möglichkeit, modulierte Tonimpulse, Mehrtonfolgen oder Melodien zu erzeugen, erweitert das Anwendungsspektrum eines einfachen Summers erheblich. Er kann beispielsweise in Türglocken oder Telefonhörern eingesetzt werden. Allerdings sollte man den Frequenzbereich beachten, der recht begrenzt ist. Am besten hörbar sind Töne in der Nähe der natürlichen Resonanzfrequenz des Summers, andere Töne könnten zu leise sein. Ein interessantes Beispiel für einen Summer ohne Oszillator ist unser Summer GSC-9032RB mit einer Resonanzfrequenz von 2700 Hz und SMD-Gehäuse. Auffällig ist seine charakteristische Form – der Schallausgang befindet sich an der Seite des Gehäuses, was eine gezielte Tonabstrahlung ermöglicht. Auch die Betriebsspannung von nur 3 V ist bemerkenswert – so lässt er sich leicht mit Niederspannungslogik integrieren. Die wichtigsten Spezifikationen sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt:

Bezeichnung	GSC-9032RB
Typ	Elektromagnetischer Summer ohne Oszillator
Abmessungen	Ø9,0 mm × 3,2 mm
Nennspannung	3 V DC
Nennstrom	80 mA
Resonanzfrequenz	2,7 kHz
Schalldruckpegel (SPL)	85 dB
Arbeitstemperatur	-20 bis 80 °C

Piezoelektrische Signalgeber

Dieser Typ von Wandlern besteht meist aus einer metallischen Scheibe, die mit einer dünnen Schicht piezoelektrischen Materials beschichtet ist. Bei Stromzufuhr verformt sich das Material, wodurch sich die Scheibe biegt und Schall entsteht. Um eine ausreichend hohe Lautstärke zu erzielen, muss der Wandler in einer speziell geformten Kammer oder Aussparung des Gehäuses befestigt sein. Piezoelektrische Signalgeber arbeiten meist bei etwas höheren Spannungen als ihre elektromagnetischen Pendants. Auch die Tonfrequenzen, die sie erzeugen können, sind höher – bis hin zu Ultraschallfrequenzen. Wie bei anderen Summer-Typen gibt es sie sowohl mit als auch ohne integrierten Oszillator. Piezoelektrische Wandler werden hauptsächlich als Tonquellen in Geräten wie digitalen Uhren, Stoppuhren und Weckern eingesetzt. Man findet sie auch in Alarmanlagen und ultraschallbasierten Entfernungssensoren. Aufgrund ihres Frequenzspektrums kommen sie auch in einigen mehrwegigen Lautsprechersystemen als Hochtöner zum Einsatz.

Sprach- und Musikwiedergabe

Ist Dir schon einmal aufgefallen, dass die Selbstbedienungskasse im Geschäft zu Dir spricht? Sprachwiedergabe gehört zu den fortschrittlicheren Aufgaben, für die akustische Komponenten eingesetzt werden. Überraschen dürfte es nicht, dass einfache Summer hierfür nicht ausreichen. Stattdessen werden Breitbandlautsprecher verwendet, die einen viel größeren Frequenzbereich abdecken. Der Großteil der für das Verständnis der menschlichen Sprache wichtigen Information liegt im Frequenzbereich von ca. 500 Hz bis 4 kHz. Damit die Sprachwiedergabe natürlich und klar klingt, ist jedoch ein deutlich breiteres Spektrum erforderlich. Idealerweise liegt es bei etwa 100 Hz bis 17 kHz und umfasst somit den Großteil des hörbaren Bereichs für Menschen. Wichtig ist außerdem ein gleichmäßiger Frequenzgang über den gesamten Bereich – so bleibt der Klang sauber und unverzerrt. Wenn Klangqualität besonders wichtig ist, empfiehlt sich auch der Einsatz einer Resonanzkammer. Dabei handelt es sich um ein speziell konstruiertes Lautsprechergehäuse, das u. a. die Effizienz erhöht und die Wiedergabe von tiefen Frequenzen verbessert. Der Einsatz eines Breitbandlautsprechers bietet zahlreiche Vorteile. Die Möglichkeit, Musik wiederzugeben oder sich mit einem Sprachassistenten zu integrieren, sind nur einige davon. Zudem ermöglichen hochwertige und natürlich klingende Soundeffekte einen besonders starken Eindruck beim Nutzer. Die Ansteuerung eines Lautsprechers ist jedoch anspruchsvoll – meist ist dafür eine spezielle Audioverstärker-Schaltung erforderlich. Die Konstruktion von Lautsprechergehäusen verlangt zudem Fachwissen aus der Akustik.

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