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Ein kräftiger Bass muß her. Er soll den den Raumklang nach unten hin satt und reichlich abrunden. Dazu wäre ein großes Lautsprecherchassis und ein noch größeres Gehäuse ideal, denn ein großes Gehäuse gibt einen tiefen Bass, da es das Lautsprecherchassis zu den tiefen Frequenzen hin weniger einengt, als ein kleineres Gehäuse. Die Grenzen der Gehäusegröße ergeben sich, wenn man sich deutlich macht, daß der SubWoofer ins Wohnzimmer passen muß. Physikalisch und optisch.
In meinem Fall lag die Akzeptanzschwelle bei 70 cm x 50 cm x 43 cm. Mit einem Nettovolumen von gut 100 Litern ist das ein brauchbares Maß. Die Frontplatte ist groß genug, um ein 15 “ Lautsprecherchassis aufzunehmen.
Der hier entstehende SubWoofer soll den gängigen Kaufhauskisten (mit 20 cm Membran ...) weit überlegen sein, jedoch preislich in überschaubaren Grenzen gehalten werden. Das heißt: Alle Parameter, die physikalisch wichtig sind, werden unterstützt, philosophischer SchnickSchnack bleibt außen vor.
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Als Material für das Gehäuse benutze ich schlicht und einfach Spanplatte. Sie hat, akustisch gesehen, besonders schlechte Eigenschaften und ist daher für den Lautsprecherbau gut geeignet.
Schlechte akustische Eigenschaften bedeutet eine hohe innere Dämpfung. Für den Bau von Musikinstrumenten ist Spanplatte also nicht geeignet.
MDF-Platten sind für Lautsprecher akustisch ähnlich gut geeignet wie Spanplatte, lassen sich jedoch besser bearbeiten und sind etwas teuerer.
Wichtiger als die Frage ob MDF oder Spanplatte ist die Frage nach dem physikalischen GehäuseTyp. Dieser beeinflusst das Klangverhalten stärker als der Unterschied zwischen Spanplatte und MDF. Um dies zu klären habe ich drei verschiedene Typen messtechnisch untersucht, und die Vor- und Nachteile dargestellt.
Natürlich kann man sich auch in Fachmagazinen erkundigen, sollte aber immer im Hinterkopf behalten, dass Magazine einen kommerziellen Hintergrund haben und an die Interessen der Lautsprecherindustrie gebunden sind.
Da ich ja hier keine Serienlautsprecher verkaufen muss, habe ich die Freiheit, mich bei den Untersuchungen auf rein technische (akustische) Parameter zu konzentrieren.
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Die Belastbarkeit von 300 W rms und 800 Watt max sollten genügend Reserve bieten.
Diese Datenblattangaben klingen bezogen auf die Grösse und den Aufbau recht plausibel.
Im Multimedia-Bereich würde man vielleicht angeben: 36.000 W PMPO ;).
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Der SubWoofer soll seinen eigenen Verstärker bekommen, denn ein Bass-Kanal ist in keinem meiner Vollverstärker integriert. Zu diesem Verstärker gehören auch ein Netzteil, ein einstellbares Tiefpassfilter und eine Schutzschaltung.
Zunächst wollte ich die ganze Elektronik mit in das Lautsprechergehäuse integrieren, inzwischen stehe ich jedoch auf dem Standpunkt, dass sie wegen der mechanischen Belastung (Vibration) und der Halbleiter-Mikrophonie ein externes Gehäuse bekommen sollte.
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Das Gehäuse wird also aus 22 mm Spanplatte aufgebaut. Die vertikalen Kanten erhalten Viertelrundstäbe mit einem Radius von 25 mm, damit das Gehäuse nicht so klotzig, sondern eher etwas kompakter wirkt.
Im Gehäuse gibt es zwei horizontale Verstärkungen, die die Steifigkeit der Seitenwände erhöhen.
Der obere Teil der Frontplatte ist aus zwei 22 mm Platten aufgebaut, um genügend Stärke für die Ausfräsung des Lautsprechers zu erhalten.
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Später doll die gesamte Frontplatte noch eine Abdeckung aus einem Stoff-bestanten Holzrahmen erhalten.
Die Platten werden verleimt und mit 60 mm Spax verschraubt.
Das Rohgehäuse wird gespachtelt und geschliffen.
In die Ausfräsung werden 8 6 mm Bohrungen zur Befestigung des Lautsprecherchassis gebohrt. Von Innen werden Einschlagmuttern für die M5 x 50 mm Inbusschrauben gesetzt.
In der Rückwand erhält das Gehäuse einen Ausschnitt von 22 cm x 14 cm und ein Loch für den elektrischen Anschluß.
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Zur Erzielung der Wohnzimmertauglichkeit wird das Gehäuse mit 0,6 mm Eiche furniert, ein paarmal mit Schleifpapier und Stahlwolle geschliffen, klar vorgestrichen, wieder geschliffen, klar lackiert und mit ganz feiner Stahlwolle etwas mattiert.
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Drei Gehäuse Typen
Geschlossene Box ----- Bassreflex Box ----- Aperiodisch bedämpfte Box
Jedes Prinzip hat seinen eigenen Charakter, Vorteile gegenüber den anderen Prinzipien, aber auch Probleme. Obwohl für mich die Entscheidung bezüglich des Gehäuse-Typs bereits aufgrund früherer Untersuchungen gefallen ist, möchte ich hier darstellen, warum ich eine aperiodisch bedämpfte Box vorziehe.
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Resonanzen
Zunächt ein paar Worte zu Resonanzen, wozu sie gut sind und wo man sie nicht haben möchte:
Resonanzen sind bevorzugte Frequenzen schwingungsfähiger Systeme, also Frequenzen, auf denen ein System eine Eigenschwingung bevorzugt. Systeme sind dann schwingungsfähig, wenn ein periodischer Austausch zwischen zwei Energiearten stattfinden kann. In einem elektrischen Schwingkreis wechselt die Energie ständig zwischen elektrischer und magnetischer Energie hin und her. In einem mechanischen System wechselt die Energie zwischen den Formen potenzieller und kinetischer Energie. Schlägt man zum Beispiel eine Gitarrensaite an, so schwingt diese beforzugt auf einer bestimmten Frequenz, der Grundfrequenz dieses schwingungsfähigen Systems. Die kinetische Energie liegt in der Bewegung der Saite, sie ist in der Mittellage am höchsten. Die potenzielle Energie liegt in der Position der Saite, sie ist bei voller Auslenkung am größten, dort (im Umkehrpunkt) ist die Bewegung der Saite = Null.
Hier sieht man, wozu Resonanzen gut sind: zur Klangerzeugung! Kein akustisches Musikinstrument kommt ohne sie aus. Resonanzen bilden den charakteristischen Klang einens Musikinstruments. Ohne Resonanzen kann man bestenfalls Rauschen erzeugen (damit kann man jedoch keine Tonleiter spielen). Sehr komplex wird es z.B. bei Glocken, die viele disharmonische Obertöne (Resonanzen) besitzen, oder Becken, bei denen es vor Resonanzen nur so wimmelt. Obertonreiche Resonanzen sorgen also für ein ausdruckstarkes Klangbild eines Musikinstruments.
Anders ist es bei HIFI-Lautsprechern: Hier meidet man Resonanzen. HIFI-Lautsprecher sind Schallwandler, die elektrische Signale proportional in akustische Signale wandeln sollen. Ihre Aufgabe ist es nicht, durch eigene Resonanzen den Charakter eines Musiksignals zu verändern.
Musiker-Lautsprecher hingegen, z. B. Gitarren-Lautsprecher bilden zusammen mit der Gitarre und dem Gitarrenverstärker ein Musikinstrument. Hier sind sind Resonanzen zur Bildung eines charakteristischen Gitarrenklangs wiederum gefragt.
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Unterschiede zwische Musikinstrument und Lautsprecher
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Musikinstrument
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HIFI-Lautsprecher
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Obertonreiche Tonerzeugung mit vielen Resonanzen, z.B. Gitarrensaite oder Geige.
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Reiner Klangwandler, möglichst keine Resonanzen, möglichst kein Eigenklang.
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Dünnwandiges Massivholz-Gehäuse, z.B. Violine, mit ausgeprägten Eigenschaften zur Eigenschwingung.
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Dickwandiges Spanplattengehäuse mit möglichst stark dämpfenden Eigenschaften das selber möglichst keinen Klang abstrahlt.
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Wenig bedämpfte Resonanzen ermöglichen langes Nachschwingen für einen langanhaltenden Ton.
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Stark bedämpfte Resonanzen, Membran soll ohne Steuersignal keine Eigenschwingung durchführen, kurze Ein- und Ausschwingzeiten.
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Hier wird deutlich, dass Musikinstrumente und HIFI-Lautsprecher völlig verschiedene Aufgaben haben, und deshalb auch ganz anders beschaffen sind.
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Unterschiede der drei Lautsprechergehäuse Typen
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Obwohl künstliche Resonanzen in HIFI-Lautsprechern nicht zu suchen haben sollten, gibt es dennoch wichtige Gründe, um Lautsprecher im Bassbereich mit Resonanzen auszustatten (ich denke Bassreflex ist das kommerziell erfolgreichste System):
Das Wichtigste an einem industriell gefertigten Lautsprecher ist, dass er sich gut verkaufen lässt. Hierzu ist es erforderlich, dass besonders der technisch weniger vorbelastete Käufer --- er bildet das größte Potenzial --- mit einfachen, aber trickreichen Mitteln zu einem Kauf überzeugt wird.
Neben der Tatsache, dass breits die Bezeichnung “Bassreflex” durch einen, die Erwartungshaltung bestärkenden Wohlklang beeindruckt, hat man bereits früh erkannt, dass ein weiterer (psychologischer) Trick sehr hilfreich ist, um im direkten Hörvergleich zu punkten.
Im direkten Hörvergleich werden einfach mehrere Lautsprecher am selben Verstärker umgeschaltet. Üblicherweise trifft man die Kaufentscheidung zugunsten des Lautsprechers, der hier subjektiv am besten abschneidet.
Der Trick: Ein Lautsprecher gewinnt, wenn er lauter ist als seine Konkurenten. Wer kann schon einen schnellen, trockenen Bass von einem trägen Reflex-Bass unterscheiden ? Was bestimmt jeder unterscheiden kann, ist die Lautstärke. Besonders im Bassbereich beeindruckt das voluminöse Dröhnen. Darum ist Bassreflex so erfolgreich.
Das erklärt auch, warum kommerzielle Subwoofer als Bassreflex aufgebaut werden und oft kein bisschen Dämpfungsmaterial erhalten. Das ist billig und dröhnt, erzielt aber im Bassbereich die grösste Lautstärke.
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Geschlossene Box
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Bassreflex Box
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Aperiodisch bedämpfte Box
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Vorteile:
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Vorteile:
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Vorteile:
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Einfach in der Herstellung,
Starke Bedämpfung der Membran (ausser bei der Gehäuseresonanz).
Direkter und schneller als Bassreflex.
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In der Herstellung nur wenig aufwendiger als eine geschlossene Box.
Nennenswerte Pegelanhebung im unteren Frequenzbereich.
Höherer Wirkungsgrad im Bassbereich.
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Stark bedämpfte Resonanzen.
Sauberstes Ein- und Ausschwing-
verhalten.
Beste Impulswiedergabe.
Trockenster Bass.
Linearster Impedanzverlauf.
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Probleme:
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Probleme:
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Probleme:
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Starke Gehäuseresonanz, muß akustisch bedämpft werden.
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Träges Ein- und Ausschwingen im Bassbereich, die Bassanhebung wird mit Klangverfälschungen (Eigenklang durch Resonanzen, Dröhnen) erkauft.
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Aufwendige Konstruktion eines rauscharmen Fließwiderstandes.
Kleinerer Wirkungsgrad als Bassreflex.
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Wirkungsgrad
Früher, als mit einer Verstärkerleistung von nur 10 Watt ein ganzes Kino beschallt werden mußte, war der Wirkungsgrad der wesentliche Parameter eines Lautsprechers. Da mußte mit der Gehäusekonstruktion alles an Schalldruck herausgeholt werden, was drin war. Heute ist der Wirkungsgrad im PA- und im KFZ-Bereich immernoch wichtig, denn hier geht es vornehmlich um Schalldruck.
Im HIFI-Breich hat der Wirkungsgrad (technisch gesehen) an Priorität verloren. Es stehen heute für Wohnzimmeranwendungen praktische beliebige Verstärker- und Lautsprecherleistungen zur Verfügung.
Es ist nicht mehr notwendig einen hohen Schalldruck auf Kosten eines guten Ein- und Ausschwingverhaltens zu erkaufen.
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Von der Theorie zur Praxis
Anhand dieses SubWoofer-Projektes sollen nun diese drei Gehäuse- Prinzipien einmal vermessen werden.
Da das Gehäuse in der Rückwand eine Öffnung besitzt (22 cm x 14 cm effektiv) kann man die drei Typen zu Testzwecken leicht herstellen:
Um eine geschlossene Box zu erhalten wird die Öffnung mit einem dicken Sperrholzbrett, einer Lage Schaumfolie zur Abdichtung und zwei kräftigen Schraubzwingen einfach verschlossen. Fertig ist die geschlossene Box.
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Wichtig: Auch der Lautsprecher muß mit einer guten Dichtung fest verschraubt sein, sowie auch die Einführung für die Leitung gut abgedichtet sein muß.
Sonst pfeift es nachher bei tiefen, kräftigen Impulsen.
Eine Bassreflexbox erhält man, wenn die Öffnung mit einem externen Tunnel versehen wird. Der Tunnel besteht aus vier Spanplatten, die temporär verschraubt werden. Mit Schaumfolie abgedichtet, wird der Tunnen mittels Expander-Gummis hinter die Box geschnallt. Ein paar Bücher dienen zur Arretierung des Tunnels in der richtigen Höhe.
Der Querschnitt des Tunnels beträgt 20 cm x 12,5 cm.
Über die Länge des Tunnels wird der Resonator abgeglichen, sie beträgt nach dem Abgleich 35,5 cm.
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Im Tunnel befinden sich 8,9 Liter Luft.
Die Querschnittfläche des Tunnels beträgt bei diesem SubWoofer etwa 1/3 der Membranfläche des Lautsprechers.
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Weniger Tunnelquerschnitt würde - wegen des großen “Hubraums” - schon bei mittleren Schalldrücken ein deutlich hörbares Rauschen der im Tunnel bewegten Luft verursachen.
Die käuflichen 80 mm Röhrchen würden hier nicht funktionieren.
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Die Konstruktion und die Abstimmung einer Aperiodisch Bedämpften Box ist etwas komplizierter. Schon das Gehäuse selber wird etwas mehr bedämpft als bei den beiden anderen Typen, bei denen die Gehäusewände nur mit einer 50 mm Schicht Steinwolle verkleidet sind.
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Jetzt wird aus vielen Lagen eines möglichst gut luftdurchlässigen Stoffes (Weiche Decke, Gardine, ...) ein Fließwiderstand konstruiert. Dieser verhindert Resonanzen, indem er die im Luftdruck gespeicherte Energie in einer genau definierten Zeit abbaut.
Würde man diese Energie nicht auf diese Weise abbauen, würde sich der Luftdruck an der Membran auslassen und nicht im Musiksignal vorhandene Geräusche (Dröhnen) verursachen.
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Um zu verstehen, wie eine aperiodische Bedämpfung arbeitet, stelle man sich sein Auto ohne Stoßdämpfer vor. Das Ausschwingverhalten des Autos entspricht jetzt etwa dem einer Bassreflexbox. Gute Fahrt!
Die Stößdämpfer des Autos bewirken nichts anderes als eine aperiodische Bedämpfung der Karosserie. Aperiodische Bedämpfung bedeutet: Nach einem Stoß ausschwingen, ohne lange hin und her zu schaukeln.
Das Ausschwingverhalten des Autos mit Stoßdämpfern entspricht dem einer aperiodisch bedämpften Box.
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Diese Dokumentation ist noch nicht ganz fertig, folgende Themen folgen:
* Messwerte des Impedanzverlaufes und der Impulsantworten der drei Gehäusetypen.
* Aufbau des Verstärkers mit Schaltplänen und Layouts.
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