Grundsätze der Subwooferentwicklung



Welche Grundlagen sollte man beachten, wenn man einen Subwoofer selbst entwickeln will?
An sich ist dieses Thema recht einfach, da hier nicht weit aus weniger Dinge beachtet werden müssen, wie bei der Lautsprecherentwicklung, bei der man vorallem noch auf das Abstahlverhalten und Übergangsbereiche usw achten muss.
Beim Subwoofer geht es einfach nur rein darum, dass er möglichst gut den Bass wiedergeben tut.



Sinn und Zweck eines Subwoofers
Warum überhaupt Selbstbau?
Gehäusetypen
Die Thiele Small Parameter
das optimale Gehäuse finden
Simulation eines Gehäuses mit WinISD Pro alpha
Konstruktion des Gehäuses
Messen des fertigen Subwoofers
Hinweise zur Endstufe




Sinn und Zweck eines Subwoofers


Welche Aufgaben hat ein Subwoofer überhaupt?
Im Prinzip unterstützt er lediglich die Hauptlautsprecher im Tieftonbereich. Denn es ist so, dass mit tiefer werdender Frequenz immer mehr Leistung benötigt wird, da die Menge der verschobenen Luft exponentiell zunimmt. Denn mit jeder Oktave, die man im Frequenzgang nach unten geht, verdoppelt sich die Menge der zu verschiebenden Luft. Da eine tiefere Oktave gleichzeitig eine Halbierung der Frequenz bedeuted, hat man eine schöne Hyperbel, wenn die Frequenz linear an der x-Achse notiert wird.



Daraus wird ersichtlich, dass man für immer tiefere Frequenzen immer mehr Hubraum benötigt, in Form von mehr Membranfläche und mehr Leistung.
Da gleichermaßen die Lautsprecher immer kleiner werden sollen, muss für einen trotzdem gut erreichbaren Tiefgang noch ein weiterer Lautsprecher her: der Subwoofer. Dieser übernimmt dann die tiefen Frequenzen, die die kleinen Lautsprecher nicht mehr wiedergeben können. Allerdings kann er nicht beliebig weit nach oben unterstützen, weil mit zunehmender Frequenz spielen die Eigenmasse der großen Membran und verschiedene andere Faktoren eine Rolle, sodass eine Mindestgröße von den Hauptlautsprechern eigentlich nicht unterschritten werde dürfte, für eine neutrale Wiedergabe. Die kleinen Boxenwürfel, die es immer öfter zu kaufen gibt, liegen in dieser Größe bereits deutlich drunter und sie können keine adäquate Wiedergabe der wichtigen Grundtonfrequenzen mehr bieten.

Ein gesundes Mittelmaß sollte gefunden werden, dass sich vorallem nach den eigenen Ansprüchen richtet. Wenn kein so hoher Wert auf neutrale (also korrekte) Wiedergabe gelegt wird, sind auch durchaus kleinere Hauptlautsprecher möglich, das dabei entstehende Loch im Frequenzgang kann das Gehirn zum Teil kompensieren.
Ansonsten aber sollten die Hauptlautsprecher so ausgelegt sein, dass die den vollen Frequenzumfang, bis der Subwoofer übernimmt, bis zum maximal gewünschten Pegel wiedergeben können und das ist teilweise auch nicht gerade einfach, vorallem bei Trennfrequenzen unter 100Hz, die nötig werden, wenn kein hochwertiges Array gebaut werden kann.

Denn wie man aus dem Teil Ortbarkeit von tiefen Frequenzen entnehmen kann, kann man einen subwoofer nicht beliebig hoch spielen lassen. Irgendwann wird seine Position im Raum unweigerlich hörbar. Dabei ist es aber stark davon abhängig, was für ein Subwoofer es ist und wie der aufgestellt ist. Ein einzelner Subwoofer, der dicht neben dem Hörplatz spielt und der recht viel Klirr oder Verzerrungen hat sollte wesentlich tiefer getrennt werden wie ein gut aufgestelltes Subwoofer-Array (SBA oder DBA), welches nur geringe Verzerrungen und Klirr aufweist.


Neben der Wiedergabe von tiefen Frequenzen bietet die seperate Wiedergabe des Bassbereiches aber einen noch weiteren, sehr entscheidenden Vorteil: es ist möglich die Raummoden von einem Raum gezielt und undabhängig von den Hauptlautsprechern zu kontrollieren. Nähere Details dazu finden sie in meiner Heimkinoberatung: Notwendigkeit eines Subwoofer





Warum überhaupt Selbstbau?


Wie im vorhergehenden Abschnitt klar wurde, ist ein Subwoofer sogut wie immer nur ein Kompromiss aus verschiedenen Faktoren, weil maximaler Tiefgang mit maximalen Pegel und perfekter Präzision bei gleicherzeitg kleiner Abmessung ist leider nicht mit den heutigen Technologien realisierbar.
Bei den auf den Markt befindlichen Subwoofern holt man sich also meist auch einen Kompromiss, entweder der Subwoofer ist sehr klein und kann dafür keinen Pegel oder keinen Tiefgang oder gar beides nicht, oder man hat ein riesen "Trümmer" im Raum stehen, bei dem man einfach nicht weiß, wohin. Oder der Subwoofer gefällt einem einfach nicht.
Das Problem ist vorallem, je weniger ein Subwoofer kosten soll, desto größer werden zwangsweise die Kompromisse, die gemacht werden müssen. Es ist das gleiche wie beim Sportauto. Diese sollten möglichst leicht sein, möglichst stabil und möglichst schnell. Aber entsprechend leichte Materialien sind aufwändig in der Herstellung und kosten sehr viel Geld und ein Leistungsfähiger Motor ist auch wesentlich aufwändiger in der Herstellung usw. Bei Subwoofern ist es der Kompromiss zwischen der verfügbaren Antriebskraft (Stärke des Magneten), der Masse der Membran und der Stärke der Feder der Aufhängung, sowie die Steifigkeit der Membran und die elektrischen Eigenschaften der Schwingspule und deren Temperaturstabilität.
Ein Hersteller muss vorallem bei günstigen Modellen einen dieser Faktoren am meisten priorisieren und die anderen etwas vernachlässigen, aber auch bei teurer werdenden Modellen kann selten alles gleich gut gemacht werden.

Im Selbstbau hat man nun die Möglichkeit, die klanglichen Eigenschaften des Subwoofers genau so anzupassen, wie man es benötigt.

Noch viel wichtiger ist, im Selbstbau ist man sehr flexibel, was die Gehäuseform betrifft, man kann somit ein für den eigenenen Raum besser passenden Gehäuse kreieren.

Und auch nicht zu vernachlässigen: bei fertigen Subwoofern steckt ein nicht unbeachtlicher Aufwand in der Gehäuseentwicklung und im Bau von diesem, was auch eine Menge Geld kostet. Wenn man nun in Eigenregie den Subwoofer entwickelt und baut, spart man einen nicht zu verachtenden Kostenfaktor ein und ersetzt ihn durch die eigene Zeit. Da man nun den Subwoofer nun weiterhin genau so entwickelt und optimiert, wie man es selbst benötigt, hat man fast immer nur einen Bruchteil an finanzieller Aufwendung benötigt wie für ein vergleichbar guten, fertigen Subwoofer.





Gehäusetypen


Ein Subwoofer muss nicht nur unbedingt ein "Kasten" mit einem Tieftöner drin sein, es gibt da nämlich sehr viele verschiedene Gehäusetypen, die gebaut werden können. Der Unterschied liegt darin, dass der bauliche Aufwand z.T. erheblich unterschiedlich ist, dafür aber der Wirkungsgrad auch enorm gesteigert werden kann, also aus der gleichen Eingangsleistung kommt bei einem Gehäuse wesentlich mehr Pegel raus wie bei einem anderen. Wiederrum nachteilig ist, dass unter Umständen eine kleine Zeitverzögerung bei der Wiedgabe von bestimmten Frequenzen dazukommt, wodurch die Töne wenig ms später wiedergeben werden, wie sie eigentlich sollten. Das hängt damit zusammen, weil der Schall "Umwege" zurücklegen muss und bei resonanzbasierenden Verstärkungen muss die Resonanz erstmal angeregt werden, was auch eine kurze Zeit dauern kann.
Das muss dann bei der Entwicklung mit berücksichtigt werden.

Hier im folgenden will ich die wichtigsten Gehäusetypen darstellen und erklären. Diese Übersicht erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, es gibt noch eine Vielzahl exotischer Bauformen, die aber entweder sehr aufwändig oder zu speziell sind, um sie hier zu erwähnen. Von den erwähnten Gehäusearten hier gibt es auch teilweise noch einige Unterformen und Abwandlungen, wovon ich einige auch mit beschreiben werde.


Freeair



Dies ist nicht wirklich ein Gehäuse sondern beschreibt das Verhalten des Tieftöners ohne darumliegendes Gehäuse. D.h. wenn der Tieftöner sich bewegt, dann wird die davorliegende Luft zwar lokal komprimiert und die dahinterliegende Luft dekomprimiert (bzw sinngemäß umgedreht) nur es kann aber auch zum Druckausgleich zwischen beiden Seiten kommen. Wenn die Bewegung der Membran zu langsam ist (genauer wenn eine halbe Wellenlänge größer wie der Durchmesser vom Chassis ist), dann erfolgt der Druckausgleich fast instantan, es kommt also zu keiner nennenswerten Schallabstrahlung mehr. Bei kleineren Wellenlängen hingegen kommt es nun in den Randgebieten zu einem Druckausgleich und der SChall wird auch mit einer zunehmenden Bündelung abgestrahlt.
Da die Membran vom Tieftöner, welche über eine Sicke und mindestens eine Zentrierung aufgehängt ist, eine Masse hat und die Aufhängung eine bestimmte Federstärke, ergibt sich eine Resonanzfrequenz, da es ein schwingendes Masse-Feder System ist. Die Resonanzfrequenz vom Tieftöner, wenn er nicht in ein Gehäuse eingebaut ist, wird auch die "Freiluft-Resonanz" bezeichnet, bzw mit dem Formelzeichen "fs" dargestellt. Diese Frequenz ist ein wichtiger Parameter bei der Gehäuseentwicklung. Dazu aber später mehr.
Bei der Resonanzfrequenz ist es so, dass nur sehr wenig Energie benötigt wird, um eine hohe Schallleistung zu erreichen, der Wirkungsgrad des Tieftöners ist bei dieser Frequenz entsprechend hoch. Durch die hohe Gegeninduktion der Schwingspule (bewegte Spule in einem Magnetfeld -> Spannung wird induziert, die der Bewegung entgegenwirkt) steigt an dieser Stelle die Impedanz auch stark an und der Verstärker gibt weniger Leistung ab. Unterhalb der Resonanzfrequenz


unendliche Schallwand



Das Problem bei "Freeair" Einbau ist, dass einfach keine tiefen Frequenzen sinnvoll wiedergeben werden können, weil deren Wellenlängen die normalen Tieftöner Durchmesser bei weitem überschreiten.
Um den Zustand zu ändern, baut man um den Tieftöner herum eine Trennwand und je tiefer die erreichbare Frequenz sein soll, desto größer wird die. Da es keine "tiefste" Frequenz gibt, sondern dies eine unendliche Nullfolge ist, wird dementsprechend auch die größe der nötigen Schallwand unendlich groß.
In so einer unendlichen Schallwand ändert sich nichts an der Freiluftresonanz und den Schwingunsverhalten des Tieftöners. Er ist nun lediglich in der Lage nach hinten und vorne bei jeder Frequenz auch effektiv einen Schalldruck aufzubauen. Die untere Grenzfrequenz, bis zu der der Tieftöner nun effektiv Schall abstrahlen kann entsprich der Freiluft-Resonanz. Unterhalb dieser fällt der Schalldruck mit 6dB je Oktave.
Der Schall wird beiderseits der Schallwand mit identischem Schalldruck abgestrahlt.
Wenn die Frequenz deutlich größer ist wie der Druchmesser von dem Tieftöner (f >> d), dann wird der Schall gleichmäßig in jede Richtung abgestrahlt, in Form einer Halbkugel. Der Schalldruck nimmt dabei pro Entfernungsverdoppelung um 6dB ab

Sges = 6 + Sanf - (log2(x) * 6)


offene Schallwand

auch genannt:
Dipol-Subwoofer
Ripol Subwoofer



da eine unendliche Schallwand nur in der Form ansatzweise realisierbar wäre, dass man den Tieftöner in ein Loch in der Wand oder in ein Loch in der Tür einbaut, gibt es noch die Variante der offenen Schallwand. Dies ist eine Mischung aus Freiluft und der unendlichen Schallwand. Solange die Wellenlängen kleiner sind wie die kleinste Ausdehnung der Schallwand, verhält sich die Wiedergabe wie bei der unendlichen Schallwand. Für alle tieferen Frequenzen verhält es sich in einem langsamen Übergang immer mehr wie bei FreeAir Betrieb.
Da bei dieser Bauweise nun die Schallanteile von beiden Membranseiten genutzt werden, welche immer genau Phasenvesetzt sind, kommt es auf 90° Winkel zur Achse des Tieftöners zur einer vollkommenen Auslöschung der Schallwellen. Direkt nach vorn und nach hinten hingegen werden die jeweils entgegengesetzten Schallanteile wiedergeben. Es entsteht die sogenannte "Dipol-Acht".
Um die für tiefe Frequenzen enorm große Schallwand zu verkleinern, kann diese auch gefaltet werden. Dies ist z.B. beim "Ripol" der Fall, welcher im Bild zu sehen ist. Dabei gelangt der Schall von der Vorderseite der Membran auf der einen Seite aus dem Gehäuse und auf der anderen Seite der invertierte Schall. Durch die Faltung kann mit einem relativ kompakten Gehäuse bereits eine recht große Schallwand erzeugt werden, um eine annehmbar tiefe untere Grenzfrequenz zu erhalten.
Dennoch spielen solche Subs hauptsächlich schon in dem Bereich, wo der akustische Kurzschluss langsam eintritt, weshalb der Pegel im Tieftonbereich sehr stark begrenzt ist. Dazu im übernächsten Abschnitt mehr.
Der große Vorteil von so einem Subwoofer ist: wenn der Schall an den Wänden reflektiert wird, löscht er sich beim nächsten aufeinandertreffen fast komplett aus. Dadurch werden die Raummoden nur minimal angeregt und da auch kaum etwas von den Wänden reflektiert wird, wird nur sehr wenig Schall in andere Räume weitergeleitet. Bei gestressten Nachbarn und/oder keinen hohen Anforderungen an Tieftonpegel, aber dem Wunsch nach möglichst Raummodenfreien Bass ist so ein RiPol eine sehr gute Alternative.


geschlossene Gehäuse

auch genannt:
CB - closed Box
SB - sealed Box



da es sehr unpraktisch ist, eine unendlich große Schallwand zu bauen, nur um sehr tiefe Töne wiedergeben, kann man auch auf eine andere Weise verhindern, dass sich der Druck zwischen Vorderseite und Rückseite des Tieftöners ausgleicht, indem man die Schallwand zu einer geschlossenen Box mit bestimmten Volumen faltet. Dadurch ist aber nun auf einer Seite von dem Tieftöner ein Luftvolumen. Wenn die Wellenlänge der zu betrachtenen Frequenz größer ist wie die größte Gehäuseabmessung, dann breiten sich die Schallwellen in dem geschlossenen Volumen nicht mehr normal aus, sondern das gesamte Luftvolumen wird instantan komprimiert und wieder dekomprimiert (ausgehend von der Realativitästheorie ist eine echte instantane (isochore) Zustandsänderung natürlich nicht möglich, da die Luftmolekühle dennoch mit Schallgeschwindigkeit den Druckunterschied weitergeben, nur erfolg der Druckausgleich durch die große Wellenlänge so schnell in dem geschlossenen Volumen, dass dies in der Betrachtung vernachlässigt werden kann und man vereinfachend von einer instantanen Druckänderung spricht, die allgemein auch als "Druckkammereffekt" bezeichnet wird). Sobald nun das Luftvolumen im Gehäuse einer isochoren Druckänderung unterliegt, wirkt ein Gegenkraft auf den Tieftöner, da die Luft hinter der Membran einen Druckausgleich mit der davorliegenden Luft anstrebt. Somit hat man eine weitere Federkonstante, die zur Federkraft der Aufhängung dazuaddiert wird und wodurch sich die Resonanzfrequenz von dem Tieftöner verändert.

Die Resonanzfrequenz verändert sich dabei immer zu einer höheren Frequenz, als wie sie vorher im Freifeld war. Aus diesem Grund wird bei einem Einbau eines Tieftöners in ein Gehäuse die untere Grenze der Wiedergabe immer höher liegen als wenn er in eine unendliche Schallwand eingebaut wäre. Das Verhältnis von Einbauresonanz und Freiluftresonanz wird auch als Qtc bezeichnet. Dabei gibt ein höherer QtC Wert eine zunehmende Resonanzfrequenz an. Werte von 0,5 bis 0,7 ergeben ein ausgelichenes Verhältnis, bei dem die Federkraft der eingeschlossenen Luft nicht zu groß ist und ein relativ großer Tiefgang bei nicht zu hoher Belastung und damit weniger Verzerrungen möglich ist. Je höher der Qtc Wert ist, desto höher auch die Einbauresonanz und desto weniger tief spielt der Subwoofer linear. Der Wirkungsgrad bei tiefen Frequenzen sinkt ab und es wird mehr Leistung benötigt, um tiefe Frequenzen mit gleichem Pegel wiederzugeeben. Durch die höheren Federkräfte kann das Chassis aber auch weniger lange ausschwingen und der Bass wirkt etwas präzisier. Allerdings steigen auch die Verzerrungswerte an, denn es muss mehr Leistung zugeführt werden und die Membran kann durch die hohen Kräfte, die von der Luftfeder kommen, nicht mehr ideal schwingen, sondern es bilden sich schneller Partialschwingungen aus, bei denen die Membran nicht mehr wie ein Kolben sich bewegt, sondern die Membran selbst noch in sich schwingt und damit die äußeren Bereiche z.B. den Schall anders wiedergeben wie die inneren Bereiche.

Im Allgemeinen wird geschlossenen Gehäusen der "musikalischere" Bass zugesagt, dies liegt zum einen daran, dass sie durch die Luftfeder eine etwas bessere Impulswiedergabe haben, da das Chassis kaum Eigenbewegungen durchführen kann. Weiterhin ist aber oft auch der Tiefgang nicht so groß, bzw ein flacher Abfall setzt recht früh ein. Damit ist der Tiefsttonbereich nicht so stark ausgeprägt und bei eventuellen Raummoden oder gar einem Druckkammereffekt im Raum würden diese negativen Effekte weniger stark zur Geltung kommen. Allerdings hat so ein Subwoofer auch mit den geringsten Wirkungsgrad, vorallem im Tiefsttonbereich. Das liegt daran, weil einfach nur der reine Schalldruck der Membranvorderseite genutzt wird und sich der Schall in alle Richtungen ausbreitet und somit auch eine sehr schnell Schalldruckabnahme über die Entfernung stattfindet.


Bassreflex Gehäuse

auch genannt:
BR - Bass Reflex
PB - Ported Box
ventiliertes Gehäuse



Ein Bassreflex Gehäuse ist ein geschlossenes Gehäuse mit einem "Rohr". Dieses Rohr verbindet das umschlossene Volumen vom Subwoofer mit der Außenluft.
Normalerweise könnte man sich jetzt denken, das wäre ja total sinnlos, erst ein geschlossenes Volumen zu bauen, damit sich der Luftdruck davor unter dahinter nicht ausgleichen kann und dann dieses geschlossene Volumen wiedder zu durchlöchern.
Aber der Trick bei der Sache ist der:
die Luft in dem Rohr muss sich komplett bewegen, wenn sich der Druck ausgleichen will...diese Luft hat aber natürlicha uch eine gewisse Masse, die ist zwar recht gering, aber vorhanden und ausreichend. Das Luftvolumen in dem Gehäuse ist wie eine Feder, damit entsteht ein Masse-Feder Resonator. D.h. ein System, dass Schwingungen ausführen kann und eine bestimmte Resonanzfrequenz hat. Bei dieser Resonanzfrequenz reicht bereits ein kleines Energieniveau aus, damit eine große Schwingungsamplitude ausgeführt wird, bei allen anderen Frequenze hingegen passiert nicht viel. D.h. bei Frequenzen, die über der Resonanzfrequenz liegen, kommt die Luft im Rohr kaum zum Schwingen, wodurch kein Druckausgleich stattfinden kann und das Gehäuse sich wie ein geschlossenes Gehäuse verhält. Hingegen bei der Abstimmfrequenz hat man eine maximale Anregung von dem Resonator und die Luft in dem Rohr schwingt maximal und damit gibt das Rohr selbst Schall ab. Da aber ein Resonator nicht instantan anläuft, sondern eine gewisse Anlaufzeit benötigt, kommt der Schall nicht genau Gegenphasig heraus, sodass er sich nicht destruktiv mit dem eigentlichen Schall von der Vorderseite überlagert. Somit wird eine Schalldruckaddition erreicht. Da sich der Resonator durch ein "aufschwingen" ein gewisses Maß an Energie speichern kann, kann die Schalldruckaddition bis zu 12dB und mehr betragen, obwohl von der Schall von der Rückseite der Membran nur für 6dB normalerweise reichen würde.
Unterhalb der Resonanzfrequenz wird der Resonator zwar nicht angeregt, aber aufgrund der langsamen Luftbewegung wird die Luft einfach rausgeschoben und es entsteht der akustische Kurzschluss wie bei einem Chassis ohne Gehäuse. Daher sollte ein Bassreflexgehäuse nicht unterhalb seiner Abstimmung verwendet werden.
Da der Resonator eine gewisse Zeit braucht, bis er sich eingeschwungen hat, gibt es auch eine kleine Phasenverschiebung von dem wiedergebenen Schall, er kommt etwas später. Dies ist teilweise der Grund, warum Bassreflexgehäuse als nicht so präzise empfunden werden. Das ist aber auch nur dann der Fall, wenn die Abstimmung zu hoch liegt, bei 40Hz beispielsweise. Sehr tief abstimmte Bassreflex Lautsprecher haben dieses Problem nicht, weil die Phasenverschiebungen in Bereichen sind, bei denen man den Schall eh mehr fühlt, bzw durch die großen Wellenlängen eine Phasenverschiebung nicht mehr so ins Gewicht fällt.

Die Resonanzfrequenz von dem Bassreflexport, welche abhängig ist von Länge und Durchmesser des Rohres, sowie dem Volumen des Gehäuses, sollte so gewählt werden, dass es das geschlossene Gehäuse im Tieftonbereich so unterstützt, dass der Frequenzgang linear nach unten erweitert wird. Im Normalfall ist das bei dem Frequenzabfall von 12dB/Oktave bei geschlossenen Gehäusen ca. eine Oktave unterhalb der aktuellen Grenzfrequenz der Fall, da von dem Bassreflexport ungefähr eine Steigerung von 12dB zu erwarten ist. Das heißt, durch das hinzufügen von einem Bassreflexport kann man ein geschlossenes Gehäuse bei gleichem maximalen Schalldruck um ungefähr eine Oktave nach unten erweitern.


Passiv Membran

auch genannt:
PR - passive Radiator



Grundsätzlich ist dieses Gehäuse identisch zu einem Bassreflex, nur statt der Luftmasse im Bassreflexrohr kommt eine Membran zum Einsatz. Der Vorteil dieser Konstruktion ist, dass es zu keinen Strömungsgeräuschen kommen kann, die bei einem Bassreflexrohr mit zu kleiner Abmessung schnell entstehen können. Weiterhin kann es unterhalb der Abstimmfrequenz nicht zu einem akustischen Kurzschluss kommen wie beim Bassreflex. Der Nachteil ist allerdings, dass die passive Membran eine größere Fläche, oder Hub schaffen muss wie der Tieftöner. Denn durch die Resonanz vervielfacht sich die abgebene Energie und mit nur einer passiven Membran, die gleich dimensioniert ist wie der Tieftöner, hat man nicht die mögliche Pegeladdition wie es mit einem reinen BR der Fall wäre.
Zudem ist die Membranmasse von einem passiven Radiator immer recht hoch, die Luftmasse in einem Bassreflex wiegt praktisch nichts. Somit wird eine passive Membran in der Präzision hinter einem BR liegen.


Bandpass Gehäuse

auch genannt:
BP - Bandpass
doppelt ventiliert



"Bandpass" ist normalerweise eine Bezeichnung für einen Filter, der nur ein bestimmtes Frequenzband durchlässt. Also eine Kombination aus einem Hochpass- (nur hohe Frequenzen können passieren) und einem Tiefpassfilter. Da die so genannten Bandpassgehäuse ebenfalls einen akustischen Filter darstellen, werden sie direkt so genannt.
Dabei wird ein Tieftöner zwischen zwei Gehäuse gesetzt, wobei diese beiden Gehäuse entweder geschlossen oder Bassreflex sein können. Wichtig ist, dass die Membran selbst keinen direkten Weg mehr nach außen hat, sondern nur noch über die Resonatoren von min. einem Bassreflexgehäuse. Damit wird die Wiedergabe maßgeblich von den Resonatoren bestimmt und es können nur die Frequenzen nach außen gelangen, auf die die Resonatoren abgestimmt sind.

Grundlegend gibt es mehrere verschiedene Bandpass-Typen, die wie normale Filter sich in ihrer Ordnungszahl unterscheiden. Der einfachste Bandpass ist ein Bandpass vierter Ordnung. Er hat eine geschlossene Kammer und eine ventilierte Kammer (im Prinzip ein Bassreflexgehäuse mit eine vorn aufgesetzten geschlossenen Gehäuse). Damit ist lediglich das zu hören, was aus dem Bassreflexport rauskommt, was natürlich sehr schmalbandig ist und nichtmal eine Oktave überdeckt.
Weiter gibt es noch:
Bandpass 4. Ordnung
Bandpass 6. Ordnung
Bandpass 8. Orndung

Beim Bandpass 6. Ordnung (zu sehen in dem Bild) sind beide Kammern ventiliert und über eine geschickte Abstimmung von beiden Bassreflexöffnungen kann man einen relativ großen Frequenzbereich abdecken. Je höher die Ordnungszahl ist, desto mehr Resonatoren kommen zum Einsatz, die dann untereinander noch verschachtelt werden, wobei bereits schon die Abstimmung eines Bandpasses 8. Ordnung extrem schwer ist. Siehe dazu auch dieser Thread in meinem Forum: 8th order Bandpass

Da der Schall nun nicht mehr direkt vom Chassis erzeugt wird, sondern nur noch indirekt über die Resonatoren, ergibt sich auch eine etwas größere Gruppenlaufzeit, die je nach Abstimmung auch hörbar "nachhinken" kann. Denn bevor der Schall das Gehäuse verlassen kann, muss der Resonator erst wieder angeregt werden und dies kostet ein wenig Zeit. Je nach Abstimmung kann dies allerdings auch durch eine Verzögerung der Hauptlautsprecher (indem bei einem Surroundreceiver eine größere Entfernung des Subwoofers eingetragen wird), zum Teil wieder ausgeglichen werden. Allerdings sollte bei einem Bandpass sehr vorsichtig mit zusätzlichen Filtern wie einem Subsonic oder weiteren Tiefpassfiltern (wie ihn jeder Receiver einem Subwoofer vorschaltet und wie auch einige Aktivmodule für Subwoofer integriert haben), denn die Gruppenlaufzeit verschlechtert sich bei einem Bandpass zum Teil dramatisch.
Der Vorteil von einem Bandpass ist aber sein Pegelgewinn, welcher aber nicht höher liegt wie bei einem Bassreflex-Subwoofer, dafür kann man jetzt aber die Abstimmung vom ersten Resonator so hoch legen, dass in einem Bassreflex eine starke Pegelüberhöhung im unteren Bereich entstehen würde. Durch den zweiten Resonator kann man aber nun auch den darüberliegenden Frequenzbereich an einer Stelle anheben und somit einen hohen Gesamtpegel erreichen, auf Kosten des Tiefgangs, den man mit einer BR Konstruktion bei weniger Pegel erreichen könnte.
Und es können auch Chassis verwendet werden, die vorallem im oberen Frequenzbereich relativ schlechte Eigenschaften haben (Resonanzen usw), da der Frequenzabfall über und unterhalb der beiden Abstimmfrequenzen recht stark ist und somit Störgeräusche von den Chassis in höhreren Frequenzlangen effektiv unterdrückt werden.
Allerdings kann so ein Bandpass nur in einem sehr begrenzten Frequenzbereich eingesetzt werden, weshalb bei einem Einsatz in einem Heimkinosystem mit eventuell noch sehr tiefer Abstimmung auch die Hauptlautsprecher sehr tief spielen müssen.


Transmission Line

auch genannt:
TML
TL



Die Transmissionline kann man im Prinzip als große "Orgelpfeife" bezeichnen, da sie genau so funktioniert. D.h. ungefähr am Ende eines Rohres sitzt ein Tieftöner der erstens nach vorn den normalen Schall abstrahlt und gleichzeitig auch Schall in das Rohr. Der Schall im dem Rohr breitet sich zunächst bis zum Rohrende aus, wird dann aber wegen einem starke Impedanzsprung (mit einem Schlag hört das Rohr auf, dadurch kann sich die Schallwelle nicht mehr wie normal ausbreiten sondern wird teilweise wieder zurückreflektiert (Das Rohrende wird zum Enstehungsort einer neuen, omnidirektionalen Schallwelle). Da der Schall nun zurückgeworfen wird, kommt es wie in einem Hörraum zu unerwünschten stehenden Wellen. Da allerdings der Rohrabschluss schallweich ist, kommt es dazu das die Grundmode bereits bei 1/4 der Wellenlänge auftritt. D.h. bei einer Rohrlänge von 2,3m hätte man eine Grundmode von 40Hz.
Bei allen Vielfachen dieser Frequenz hat man Moden höherer Ordnung.
Da die Moden besonders verstärkt werden, werden diese an der Rohröffnung verstärkt abgestrahlt und da sie zeitlich gegenüber dem Schall des Tieftöners verzögert sind (dadurch steigt allerdings auch die Gruppenlaufzeit (die Phase dreht sich um über 180° da es eine gewisse Zeit dauert bis die stehende Welle das erstmal ausgeprägt ist). D.h. bei 20Hz hätte man z.B. mindestens eine GRuppenlaufzeit von 40-50ms, wenn die TML auf diese Frequenz ausgelegt ist.
Ein noch größeres Problem sind aber die Moden höherer Ordnung. Die Mode erster Ordnung schwingt im Rohr beinah sofort aus, allerdings alle höherliegenden Moden brauchen teilweise eine Sekunde und länger. Das macht sich extrem negativ bemerkbar durch einen sehr blechernen Sound...fast wie von einem Abwasserkanal.
Aus dem Grund muss man die höheren Moden möglichst bedämpfen. Nur dies ist nicht so einfach da die meisten Bedämpfungsaktionen auch die Grundmoden beeinflussen. An der Rohröffnung zu dämmen bewirkt genau das Gegenteil, sie dämpft nur die Grundmode und alle anderen kaum, weil die GRundmode an der Öffnung ihr Schnellemaximum hat. Aus dem Grund bietet es sich an das Ende am Tieftöner zu bedämpfen und die Mitte vom Rohr (wo meistens eh ein Knick ist). Damit bekommt man die höheren Moden effektiv bekämpft.
Allerdings ist auch dies alles andere als einfach und das ist auch meist der Grund warum TML Konstruktionen so aufwändig sind, weil die richtige Abstimmung von Rohrlänge, Faltung, Chassis (denn auch die Eigenschaften des Chassis bestimmen die Ausprägung der Moden im Rohr) und Dämmung sehr viele Möglichkeiten bietet.
Ein weiteres großes Problem ist auch, das z.B. die Frequenzen der Mode 3. Ordnung so abgestrahlt werden, das sie wieder genau phaseninvertiert auf den Schall treffen der vom Tieftöner kommt. Damit kommt es bei TMLs typischerweise zu einer Auslöschung mitten im Frequenzgang den sie abbilden.

Wenn eine TML sauber abgestimmt ist hat sie den Vorteil das sie einen hohen Wirkungsgrad hat, da die Schallleistung von der RÜckseite der Membran ebenfalls genutzt werden kann.
Allerdings ist der Wirkungsgrad normalerweise nicht höher als bei einem Bassreflexsubwoofer. Es gibt realistisch gesehen keinen echten Vorteil einer TML gegenüber einem BR, weshalb TMLs sogut wie keine Verbreitung finden.


Horn



Ein Horn ist die komplexeste Form bei den Gehäusen, bei der es auch die zahlreichsten Varianten gibt. Das Problem bei der Wiedergabe von tiefen Tönen ist ja, das durch die relativ langsame Bewegung der Membran die Luft dieser ausweichen kann und somit nur ein relativ kleiner Teil der eigentlichen Energie auf die Luft übertragen werden kann. Durch ein normales Gehäuse wurde nun schonmal verhindert, dass die ausweichende Luft hinter die Membran gelangen kann, wodurch es zum akustischen Kurzschluss kommen würde. Dennoch weicht die Luft noch in alle Richtungen aus und es entsteht eine Kugelwelle mit einem relativ kleinen Energiegehalt pro Fläche. Ziel von einem Horn ist es nun, die Luft am ausweichen zu hindern. Der Hornhals, der entweder direkt am Chassis beginnt, oder an einer kleinen Druckkammer, die vor dem Chassis sitzt und die den Schalldruck auf eine kleinere Fläche konzentrieren soll und auch als Resonator wie bei einem Bandpass funktionert, hindert die Luft am ausweichen. Damit kann die gesamte Energie vom Chassis auf die Luft übertragen werden. Würde man jetzt der Hornhals gerade weiterlaufen als Röhre, dann hätte man bei Schallwellen, die länger als der doppelte Rohrdurchmesser sind, eine ebene Welle (der Schalldruck ist bei einer ebenen Welle an jeder Stelle gleich und es gibt bei linearer Schallausbreitung im Rohr nur minimale Pegelverluste, die durch Reibungswiderstände herrühren).
Die Länge der Röhre entscheidet auch, bis zu welcher Frequenz es funktioniert, dass die Luft am ausweichen gehindert wird. Weil wenn die Wellenlänge größer als die Länge vom Rohr wird, dann kann die Luft an dessen Ende auch wieder ausweichen, bevor der Tieftöner die gesamte Energie auf die Luft übertragen kann.
Weiterhin gibt es ein Problem der Impedanzanpassung: Am Ende vom Rohr findet ein plötzlicher Übergang von dem Querschnitt des Rohrs auf das recht große Volumen der umgebenden Luft statt. Dieser plötzliche Wechsel bewirkt, dass erstens ein Teil der Schallwellen wieder in den Rohr zurückreflektiert wird (und es damit zu Resonanzen kommt) und weiterhin wird der Schall ab hier ähnlich abstrahlt wie direkt vor dem Chassis, also als Kugelwelle, wodurch nichts gewonnen wäre, im Gegenteil, die Resonanzen vom Rohr verschlechtern die gesamte Wiedergabe wieder.
Daher hat ein Horn eine stetige Querschnittsvergrößerung, die idealerweise nach der Tractrix Funktion arbeitet. Solche Hörner werden dann auch "Kugelwellen Hörner" bezeichnet, da am Ende eine ähnliche Form der Schallwelle herauskommt. Der große Unterschied zur normalen Schallabstrahlung bei einem Subwoofer ist der, dass hier der Schall in eine Richtung gebündelt wird (D.h. in einer bestimmten Richtung ist der Schalldruckpegel höher wie an einer anderen. So hat man vor dem Horn teilweise einen beträchtlich höhreren Pegel wie dahinter). Weiterhin ist der Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer in akustische Leistung höher geworden. D.h. durch ein Horn kann man erstens den Wirkungsgrad der elektro-dynamischen Wandlung verbessern und zweitens auch noch eine Richtwirkung erzielen, durch die man einen höheren Schalldruck auf bestimmte Gebiete konzentrieren kann.

Das Problem im Bassbereich ist nun, dass bei 20Hz die Wellenlänge 17,2m beträgt. Ein Horn für diese Frequenzen wäre entsprechend gigantisch groß, vorallem würde auch der Hornmund (die Öffnung vorn) sehr groß werden, ebenfalls vergleichbar mit der Wellenlänge. Da selbst für 100Hz noch 3,44m nötig sind, und das kaum baulich realisierbar ist, gibt es die Möglichkeit, den Hornhals zu falten. D.h. der eigentlich lange Hornhals wird durch Faltung auf ein kleineres Volumen reduziert, ohne dass er an Länge verliert. Allerdings führen die Knicke in dem Hornhals dazu, dass es bei einigen Frequenzen dann zu Reflektionen und Resonanzen kommt, daher sollten diese Knicke so sanft wie möglich gemacht werden, idealerweise in einem Kreisbogen, aber je nach Frequenzbereich, der genutzt werden soll, gehen auch harte Knicke. Die Wellenlänge der höchsten genutzten Frequenz muss lediglich deutlich größer bleiben wie die einzelnen Abschnitte, mindestens die doppelte Länge sollte die Wellenlänge haben.
Da trotzdem der Hornmund eine gewisse Größe braucht und ein mehrere Meter großes Horn kaum transportiert werden kann, ist es auch möglich, den eigentlichen Hornhals am Hornmund zu kürzen und dann mehrere Hörner zu "stacken", d.h. man stellt dann mehrere Hörner direkt zusammen und durch eine kohärente Addition der Schallwellen verhalten sich die gestackten Hörner wie ein größeres Horn mit einer vergleichbaren Mundfläche, wodurch man die untere Grenzfrequenz steigern kann, ohne dass dabei die Handhabbarkeit der einzelnen Hörner untragbar werden würde.
Für die Installation in einem Wohnraum gibt es außerdem noch die Möglichkeit von Eckhörnern, bei ihnen mündet die eigentlichen Hornöffnung in die Ecke von einem Raum, die Wände von dem Raum bilden dann den Forsatz von dem Horn und ermöglichen so auch eine relativ niedrige Grenzfrequenz bei nicht zu großer Bauweise vom Horn.

Das Thema Horn ist leider noch extrem viel umfangreicher und es gibt auch noch zahlreiche weitere Bauformen, die ich mangels Erfahrung hier nicht weiter schildern will. Aber in meinem Forum können gerne dazu Fragen gestellt werden, dort sind auch einige Experten für Hörner angemeldet wie gerne weiterhelfen.





Thiele & Small Parameter


Tieftöner sind nicht alle gleich und man kann schon gar nicht einfach einen Tieftöner in irgendein Gehäuse einbauen und hoffen, dass ein brauchbares Ergebniss herauskommt.
Um die Möglichkeit zu bieten, dass ein Tieftöner in einem bestimmten Gehäuse simuliert wird, bzw man überhaupt die Möglichkeit hat, einen Tieftöner von seinem Verhalten einzuschätzen, wurden von Thiele und Small eine Liste von Parameter eingeführt, die die Eigenschaften eines Tieftöners umfangreich beschreiben sollen, sodass man die Möglichkeit hat, ihn einzuschätzen und ein paasendes Gehäuse zu finden, ohne dass man ihn irgendwo einbaut und probieren muss.
Die Parameter beschreiben dabei genauer die Eigenschaften des Tieftöners um seine Resonanzfrequenz herum, welche Eigenschaften da das schwingende System hat und der Antrieb davon.

Folgende Parameter sind spezifiziert:
Äquivalentvolumen Vas
Resonanzfrequenz Fms
Elektrische Güte Qes
Mechanische Güte Qms
Gesamtgüte Qts
Bewegte Masse Mms
Membranfläche Sd
Nachgiebigkeit der Aufhängung Cms
Gleichstromwiderstand Re
Induktivität der Schwingspule Le
Verschiebevolumen Vd
maximale Auslenkung Xmax
Kraftfaktor B × l
mechanischer Verlustwiderstand Rms


Hier möchte ich kurz die Parameter beschreiben, wobei diese Beschreibung keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt, sondern nur eine kurze Übersicht bieten soll, um die einzelnen Werte besser zu verstehen.

Äquivalentvolumen - VAS
Dieser Wert stellt das Luftvolumen dar, dass eine vergleichbare Federkraft aufbringt wie die Aufhängung der Membran. Ab und an stellt dieser Wert auch ungefähr das benötigte Volumen vom Chassis dar, vorallem bei Chassis mit einem Qts von ~0,4 kann man so schon grob das Volumen für das bei dem Wert sinnvolle Bassreflexgehäuse annehmen.
Bei anderen Werten von Qts ist das aber leider nicht so einfach.

Resonanzfrequenz - fms/fs
meist unter Freeair Bedingungen gibt diese Frequenz an, welche Eigenfrequenz das schwingende System hat. Würde das Chassis FreeAir betrieben und mit einem Impuls angeregt, dann würde es mit dieser Frequenz ausschwingen.
Mithilfe von dieser Angabe kann man schonmal grob abschätzen, wie tief man mit dem Chassis kommen könnte, obwohl hier die Gehäusebauweise noch sehr viel Einfluss drauf hat und den Wert nach oben oder unten ändern könnte.

Gleichstomwiderstand - Re
einer der einfachsten Werte, er gibt lediglich den ohmschen Widerstand der Spule bei Gleichstrom an.

Induktivität der Schwingspule - Le
Ist vorallem für die Berechnung von Filtern wichtig. Denn bei der Bewegung der Schwingspule durch das Magnetfeld entsteht auch eine Induktion (bewegter Leiter in einem Magnetfeld -> Lorentzrkraft), diese induzierte Spannung wirkt ihrer Ursache entgegen, wodurch dann der Widerstand ansteigt. Außerdem hat jede Spule auch eine Selbstinduktion. Dieser Wert wird normalerweise bei einer bestimmten Frequenz (meist 1kHz) ermittelt.

Elektrische Güte - Qes
Dieser Wert gibt das Verhältnis aus der Impedanz bei fs und Re an. Die Impedanz ist abhängig von der Frequenz und bei der Resonanzfrequenz nimmt sie den höchsten Wert an. Je höher dieser Wert ist, desto geringer ist die elektrische Dämpfung der Bewegung der Membran, z.B. durch Gegeninduktion vom Magneten usw.

Mechanische Güte - Qms
ähnlich wie die elektrische Güte gibt sie hier das Verhältnis zwischen der Auslenkung bei fs gegenüber anderen Frequenzen an. Je stärker die Bewegung durch die Aufhängung (Sicke, Zentrierspinne usw) gebremst wird, desto geringer ist die Auslenkung bei der Resonanzfrequenz, desto höher ist normalerweise aber auch der mechanische Widerstand. Ein hoher Qms Wert deutet auf eine geringere Dämpfung der Schwingung bei fs hin, d.h. die Membran kann relativ ungedämpft schwingen. Dies kann aber durchaus wünschenswert sein, wenn elektrische Dämpfung gut sind und man den Tieftöner in Gehäuse einbauen möchte, wo schon eine hohe Dämpfung durch die Luft vorliegt (Horn, CB z.B.).

Gesamtgüte - Qts
Ergibt sich aus der elektrischen und mechanischen Güte und sie erlaubt eine Einschätzung des Tieftöners, inklusive Einstufung, welches Gehäuse geeignet ist. Je niedriger der Wert ist, desto höher die "Eigenkontrolle" vom Tieftöner und damit auch eine höhere Präzision, aber auch weniger Tiefgang.
Grundlegend kann man anhand der Qts Werte schonmal folgende Einteilung machen:
Qts < 0,3 ==> Horn
Qts 0,3...0,4 ==> Bassreflex
Qts 0,4...0,6 ==> geschlossener Subwoofer
Qts 0,5...0,8 ==> FreeAir
Qts > 0,8 ==> (unendliche) Schallwand

Allerdings ist das nur ein grober Anhalt und muss je nach Tieftöner abgewägt werden, da sich auch ein Tieftöner mit Qts=0,25 durchaus gut für ein BR Gehäuse eignen kann usw.

bewegte Masse - Mms
Welche Masse hat die Membran + Schwingspule + Teile der Aufhängung + die bewegte Luft direkt vor der Membran. Klar sollte sein, je niedriger dieser Wert ist, desto besser. Weil je mehr Masse eine Membran hat, desto mehr Masseträgtheit hat sie auch und desto schwerer kann sie einem Signal folgen, bzw desto mehr Kraft wäre nötig, damit sie dies tun kann. Gute Werte für große Tieftöner (15/18") liegen um die 150-250g. Kleinere Tieftöner können auch durchaus unter 100g und weniger haben.

Kraftfaktor - B*l
Dies ist das Produkt aus der magnetischen Flussdichte im Luftspalt und der Länge des Schwingspulendrahtes, der sich im Magnetfeld befindet. Die Einheit kann entweder N/A sein, also Newton je Ampere (wieviel Kraft erzeugt eine bestimmte Stromstärke) oder auch Tm (Teslameter). Dieser Kraftfaktor sollte so hoch wie möglich sein, weil er bestimmt maßgeblich die Bewegung der Membran. Je höher der Faktor ist, desto höher ist auch die elektrische Kontrolle und Gegendämpfung, d.h. unkontrollierte Schwingungen können so gut gedämpft werden. Ein Kraftfaktor von 20 ist schon gut, ab 30 wird es schon richtig gut.

Membranfläche - Sd
Dazu gibt es denke nicht viel zu sagen, das ist einfach die effektive Fläche, von der Luft bewegt wird. Meist wird da einfach der Radius bis zur Mitte der Sicke genommen und daraus die Fläche gebildet.

maximale Auslenkung - Xmax
ein viel umstrittener Wert, weil es für ihn keine genaue Definition gibt und viele Hersteller da versuchen, möglichst hohe Werte anzugeben.
Der Wert soll ungefähr angeben, wie weit die Membran in eine Richtung Auslenken kann, ohne dass die Schwingspule den linearen Bereich im Magnetfeld verlässt. Von einigen Hersteller wird es aber auch als der Wert angesehen bis zu dem ein Chassis auslenken kann, sodass die Verzerrungen noch unter 10% bleiben. Andere sehen da den Wert, bei dem die Schwingspule bereits das Magnetfeld komplett verlässt. Es besteht daher nur selten eine direkte Vergleichbarkeit bei diesem Wert. Es ist weiterhin zu beachten, dass dies nicht die Maximale Auslenkung an sich ist. Das wäre der sog. Xmech Wert, der gibt an, wie weit die Membran Auslenken kann, ohne dass die Aufhängung oder die Schwingpule beschädigt wird.
Zudem kann es vorkommen, dass hinter der Angabe noch folgende Angabe steht: "(P - P)". Dies bedeutet dann "Peak to Peak" und sagt aus, dass der Wert nicht in eine Auslenkungsrichtung angeben ist, sondern die Summe von beiden Richtungen angibt. In dem Fall müsste man den Wert also halbieren um die Auslenkung in eine Richtung zu erhalten.

Verschiebevolumen - Vd
ist ein einfaches Produkt aus Sd und Xmax und gibt an, wieviel Luftvolumen vom Chassis maximal bewegt werden kann. Auf Basis von diesem Wert könnte man mehrere Chassis schonmal grob nach dem maximal erreichbaren Pegel vorallem im Tiefsttonbereich vergleichen. Weil je größer, desto mehr Pegel bei tiefen Frequenzen ist möglich.

Nachgiebigkeit der Aufhängung - Cms
Ist wie eine Art Federkonstante und gibt an, wie stark die Aufhängung gegen die Bewegung der Membran arbeitet.

mechanischer Verlustwiderstand - Rms (Resistance mechanical Suspension)
vergleichbar mit dem Dämpfungselement bei dem Fahrwert von einem Auto. Je höher dieser Wert ist, destö stärker ist die mechanische Dämpfung von der Schwingung. Bei extrem hohen Werten schwingt das Chassis fast gar nicht nach, allerdings hat dies auch den Nachteil, dass es dem SIgnal nur noch sehr träge folgen kann. Der richtige Wert von RMS ist wie die richtige Einstellung am Dämpfer beim Fahrzeug. Nicht zuviel und nicht zu wenig sollte es sein.





das optimale Gehäuseprinzip finden


Dies ist in der Tat der schwerste Teil bei der Subwooferentwicklung, da man sich für ein Gehäuseprinzip entscheiden muss und dieses dann optimal versucht abzustimmen.
Die Wahl des Gehäuses beeinflusst dabei maßgeblich die späteren Eigenschaften des Subwoofers, angefangen bei dem maximal erreichbaren Pegel, beim möglichen Tiefgang, der nötige Platz, die Präzision und Sauberkeit der Wiedergabe, das Einbinden in eine bestehenden Anlage oder ein Satelliten System und die spätere Optimierung der Raumakustik im Bassbereich.

Im Bereich der TSP hab ich eine Übersicht geschrieben, welche Gesamtgüte zu welchem Gehäusetypen passt.
Woher kommt nun diese Einteilung?
Wenn man einen Tieftöner in ein Gehäuse einbaut, dann verändert sich seine Güte. Aus der Gesamtgüte wird dann die Einbaugüte, da die Luft im Gehäuse ebenfalls wieder Einfluss auf die mechanischen Parameter (vorallem Qms, Cms und Rms) hat.
Wenn man ein Chassis z.B. in ein geschlossenes Gehäuse einbaut, dann wird seine Einbaugüte Qtc immer größer sein wie seine Gesamtgüte Qts. Bei geschlossenen Gehäusen gilt dabei die Regel: je kleiner das Gehäuse, desto größer wird Qtc.
Eine höhere Güte bedeutet, dass die Wiedergabe unpräziser wird und auch der Tiefgang weniger. Dies liegt an den sehr großen mechanischen Verlusten des kleinen Luftvolumens und vorallem an der sehr hohen Einbauresonanz, die deutlich über der Freiluftresonanz liegt.

Da gerade beim Horn durch die Nutzung von Druckkammern und auch durch die hohe Luftmasse im Horn die Einbaugüte stark ansteigt, sollten hier Tieftöner mit einer niedrigen Qts genommen werden. Diese verprechen zwar auch einen präziseren Klang und hohen Wirkunggrad, allerdings auch auf Kosten vom möglichen Tiefgang. Dies kann aber durch die Hornkonstruktion ausgeglichen werden, da hier das Horn selbst den größten Einfluss auf die untere Grenzfrequenz hat.
Bei Bassreflexgehäusen bietet sich eine Qts von 0,3-0,4 an, weil auch hier die Einbaugüte stark ansteigt, insbesondere durch den Resonator. Aber auch hier gilt: je größer das Gehäuse, desto niedriger wird die Einbaugüte und desto niedriger kann man die Abstimmfrequenz wählen. Dabei sollte die Abstimmfrequenz vom Resonator nicht deutlich über oder unterhalb der Freiluftresonanz vom Tieftöner liegen, da sonst eine zu große Welligkeit im Frequenzgang entsteht. Ideal ist eine Abstimmung kurz unterhalb von fs, bei einem Gehäusevolumen, dass nah dem Wert von Vas kommt, aber auf keinen Fall größer wie VAS ist. Denn sonst wird der Bass unpräzise, weil vorallem die Gruppenlaufzeit durch den recht trägen Resonator ansteigt und weil auch die Abstimmung normalerweise dann deutlich unterhalb von fs liegt.

Bei der Wahl vom Gehäuse ist aber vorrangig auch wichtig, was die eigenen Ziele sind. Ein Horn z.B. hat zwar einen überaus hohen Schalldruckpegel, aber für eine tiefe untere Frequenz wachsen auch die Ausmaße extrem an. Auch ein Eckhorn kann nur bedingt weiterhelfen, weil ein normaler Raum gar nicht die Größe hat, damit der verlängerte Hornhals ausreichend groß wird. Zudem sollte man beachten, dass in einem Raum durch die kleinen Abmessungen auch mehrere Chassis in einem SBA an einer der Stirnwände montiert durch die gegenseitige Strahlungskoppelung einen ähnlich hohen Wirkungsgrad erzielen, als wären sie in ein Horn eingebaut. Dies trifft zumindest im Tiefsttonbereich zu, bei funktionierendem Aliasing (Strahlungskoppelung).
Mit einem Bassreflexgehäuse lassen sich hohe Pegel und tiefe Grenzfrequenz realisieren, aber auch diese Gehäuse sind meist nicht sehr klein bei sinnvoller Auslegung.
Geschlossene Gehäuse kann man relativ klein gestalten, hat bei ihnen aber auch einen sehr viel kleineren Wirkungsgrad und wenn es zu klein wird, tut es der Präzision auch nicht gerade gut.

Der Vorteil aber bei einem geschlossenen Gehäuse ist der relativ flache Frequenzgangabfall unterhalb der Einbauresonanz, der genau 12dB/Oktave beträgt. Dies ist dann vorallem in kleineren Räumen ein sehr großer Vorteil: denn wie in meiner RaumakustikFAQ zu finden ist, liegt unterhalb der 1. Raummode der längsten Abmessung der Druckkammereffekt. Wenn dieser ideal ausgeprägt ist, dann steigt durch ihn der Schalldruckpegel um 12dB/Oktave an. Würde man also ein geschlossenes Gehäuse genau auf die 1. Raummode abstimmen und würde der Druckkammereffekt ideal verlaufen, dann könnte man einen bis >0Hz linearen Frequenzgang erreichen. Vorallem im Car-HiFi würde sich dies anbieten.

Weiterer Kritikpunkt für die Wahl des Gehäuses stellt auch die Anfälligkeit für Raummoden im Raum dar. Mit einem Eckhorn regt man beispielsweise maximal die horizontalten Raummoden an, je nach Bauhöhe aber werden die vertikalen Moden fast gar nicht mehr angeregt.
Wenn keine große Forderung an Pegel z.B. besteht, dann bietet sich es z.B. auch an, ein Ripol Gehäuse zu bauen. Wie schon oben erwähnt, werden durch dieses die Raummoden mehr oder weniger gar nicht angeregt. Da es aber eine offene Schallwand ist, hat man erstens starke Pegelprobleme im Tieftonbereich und es erfordert auch einen Tieftöner, der eine relativ hohe Gesamtgüte hat und eine recht niedrige Freiluftresonanz. Denn bei diesem Gehäuse entscheiden fast ausschließlich die Parameter vom Chassis den Frequenzgang. Seine Eigendämpfung sollte daher auch nicht zu gering sein.




Simulation mit WinISD Pro alpha


Wenn das passende Gehäuseprinzip gefunden wurde, dann kann es mit der Simulation losgehen. Für geschlossene, Bassreflex, passive Radiatoren, Bandpass 4. und 6. Ordnung gibt es die kostenfreie Software WinISD Pro alpha. Sie kann unter www.linearteam.dk heruntergeladen werden.
Für Transmissionlines, Hörner und auch Ripole muss eine andere Software wie z.B. AJHorn oder BassCAD verwendet werden. Sollten dazu Fragen bestehen, bitte im Forum vorbeischauen, da können diese gerne beantwortet werden.

Als erstes muss man in WinISD den Tieftöner auswählen. Sollte der Tieftöner noch nicht in der Datenbank von WinISD sein, dann lohnt erstmal ein Blick in diesen Thread:
Treiberdateien für WinISD pro alpha,
ob er nicht dort ist. Alternativ muss man sich die Thiele Small Parameter (TSP) vom Hersteller besorgen und dann über die Schaltfläche "Editor" bei WinISD diese selbst eingeben.
Man erhält dann folgende Eingabemaske:



Die roten Zahlen geben an, in welcher Reihenfolge man die Daten eingeben sollte. Denn der Editor rechnet automatisch die fehlenden Parameter aus. Alle blauen Werte stellen dabei dann berechnete Werte dar und sie sollten nicht geändert werden, auch wenn sie nicht genau mit denen vom Hersteller übereinstimmen!
Sollte einer der Parameter nicht verfügbar sein, dann erstmal die verbleibenden Felder so weit es geht, ausfüllen. Dabei immer darauf achten, ob nach der Eingabe nicht ein Wert automatisch berechnet wurde, bevor man an der Stelle selbst was eingeben will.


Nachdem die Treiberdatei für den Tieftöner nun vorhanden ist, kann es mit der Simulation losgehen. Dazu in WinISD auf "New Project" oben links klicken. Es öffnet sich ein kleines Fenster, in dem man den Treiber auswählen kann und sich eventuell nochmal die Parameter anzeigen lassen kann.
Als nächstes Fenster erhält man dieses:

Hier kann man als erstes eingeben, wieviele Tieftöner in einem Gehäuse simuliert werden sollen, falls mehrere gewünscht sind. Mehrere Chassis in einem Gehäuse bieten den Vorteil von mehr Pegel bei sonst gleichen Eigenschaften wie ein einzelner Tieftöner und je nach Anordnung kann dadurch auch die Raumanregung besser werden. Man muss lediglich beachten, dass das Volumen proportial ansteigt, das Volumen für einen Tieftöner muss also mit der Anzahl multipliziert werden.
Weiterhin ist hier noch der Punkt "Placement" zu finden. Statt "Normal" kann man auch "Iso-barik (Compound)" auswählen. Bei dieser Anordnung werden zwei Tieftöner Vorderseite auf Vorderseite aneinandergeschraubt, bzw noch die Wand vom Gehäuse dazwischen. Der zweite Tieftöner muss dann verpolt angeschlossen werden. Dadurch verdoppelt sich nun die Antriebsleistung, es verhält sich aber weiterhin wie ein einzelnes Chassis, nur dass jetzt nur noch die Hältfte an Volumen benötigt wird. Für sehr kleine Subwoofer also eine Möglichkeit. Allerdings ist die Schallabstrahlung von der Rückseite einer Membran nicht so gut und viele Tieftöner haben auch noch eine Schwingspulenlüftung, die ebenfalls hörbare Geräusche macht. Daher ist so ein Konzept fast nur in einem Bandpass sinnvoll.

Im nächsten Fenster steht dann die eigentliche Entscheidung für den Gehäusetypen bevor. WinISD rechnet hier den EBP aus einigen TSP aus und schlägt daraufhin schon ein eventuell geeignetes Gehäuse vor. Dieser Vorschlag muss aber nicht immer das Optimum sein, wie schon oben erläutert wurde.
Nachdem der Gehäusetyp gewählt wurde kann man noch von WinISD sich einen Vorschlag machen lassen für die Gehäusegröße und sonstige Parameter. WinISD wird versuchen, eine der vorgeschlagenen Kurven zu erreichen. Die oberste Auswahl ist die mit dem linearsten Frequenzgang, dafür aber auch geringsten Tiefgang. die darunterliegenden Vorschläge in dem Menü erweitern den Frequenzgang immer weiter nach unten, aber das Gehäuse wird auch größer...bei Bassreflexsimulationen kann das Gehäuse da dann recht schnell sehr groß werden und es kann dadurch auch zu Problemen kommen. Denn einerseits rechnen WinISD bei zu großen Volumina nicht mehr allzu genau und weiterhin handelt man sich mit einem großen GEhäuse viele Probleme ein, aber dazu später mehr.

Nachdem die Kurve ausgewählt wurde, simuliert WinISD schon seinen Vorschlag.



In dem Bespiel versucht WinISD einen möglichst linearen Frequenzgang zu berechnen. In dem neu erschienen kleinen Fenster sind Details zum Projekt. Um die Farbe vom der simulierten Kurve zu ändern, einfach unten auf den farbigen Rand klicken. Auf der ersten gezeigten Seite kann man die Anzahl der Chassis verändern und auf der nächsten sieht man die bereits vorgeschlagenen Werte für Gehäusegröße und -volumen. Diesen Vorschlag könnte man jetzt einfach schon annehmen oder noch weiter herumexperiementieren. Wenn wir den Vorschlag einfach annehmen würden, würdest du jetzt aber nicht hier weiterlesen, also gehen wir davon aus, dass wir was anderes mit dem Tieftöner vorhaben.
Doch wie sollte man nun vorgehen, um ein für sich besseres Ergebnis zu erhalten? Denn dieser Frequenzgang sagt leider nicht soo viel über den Subwoofer aus und man könnte jetzt an den Werten rumspielen, bis dieser passt, aber was am Ende rauskommt klingt dann vllt trotzdem total schräg.

Grundlegend: Durch verändern des Volumens ändert sich auch der Frequenzgang. Je größer das Gehäuse wird, desto niedriger die Einbauresonanz Qtc und desto tiefer die untere Grenzfrequenz. Da die Dämpfung durch das Gehäuse sinkt, steigt der Pegel zu tiefen Frequenzen bei einem größeren Gehäuse an. Allerdings kommt bei Bassreflexlautsprechern hier die Abstimmungsfrequenz hinzu, die die Resonanzfrequenz des Resonators im Gehäuse angibt. Wenn man das Gehäuse vergrößert und nicht diese Frequenz verändert, kommt es zu einer Überbetonung. Daher ist an der Stelle auch ein gewisses ausprobieren nötig, eh man das beste Verhältnis aus Volumen und Abstimmung gefunden hat.
Hier im Beispiel hab ich mich jetzt für eine bestimmte Gehäusegröße und Abstimmung entschieden:


Um zu sehen, welche weiteren Kurven noch wichtig sind die auch WinISD simuliert, öffnet man folgendes Menü:



Im folgenden werde ich auf die einzelnen Punkte eingehen und die für mich persönlich wichtigen detailierter beschreiben.

Transferfunction magnitude
Das ist der eigentliche (Freifeld-) Frequenzgang von der aktuellen Simulation.

Transferfunction Phase
Dies zeigt den Phasenverlauf vom Tieftöner an. Idealerweise sollte dieser auch möglichst geradlinig sein. Allerdings ist dieses Feld nicht so von Bedeutung, da sich zeitliche Probleme von Chassis besser im

Group Delay
ablesen lassen. Das Group Delay, oder zu Deutsch "Gruppenlaufzeit" (GLZ) zeigt an, nach welcher Zeit ein angespielter Ton aus dem Subwoofer herauskommt. Angenommen es würden einzelne Sinustöne angespielt werden, dann würde bei einer GLZ von 0 ms bei der betreffenden Frequenz dieser sofort erklingen. Hingegen bei einer GLZ von 40ms würde diese betreffende Zeit vergehen, eh der Ton zu vernehmen wäre. Bei sehr tiefen Frequenzen wäre dies kein größeres Problem, da bei 20Hz allein eine einzelne Periode 50ms dauert. Allerdings fällt es auch hier auf, wenn der Ton einen ganzen schwingungszyklus später anfängt. Die Ursache in der GLZ liegt daran, dass Subwoofer schwingende Systeme sind. Insbesondere der Bassreflexport benötigt durch seine Funktion als Resonantor eine gewisse Zeit, eh er seine volle Amplitude erreicht, was sich direkt auf die GLZ auswirkt.
Auch die Gehäusegröße wirkt hier unmittelbar mit rein, je größer das Gehäuse wird, desto "träger" wird das ganze System.
Im Folgenden ein Beispiel von meiner Simulation, wo die GLZ in einem noch erträglichen Rahmen liegt:


Maximum Power
Hier könnte man sich anschauen, bei welcher Frequenz das Chassis wieviel Leistung verträgt. Allerdings ist der nächste Abschnitt dafür interessanter

Maximum SPL
Hier kann man sehen, welchen maximalen Pegel der Tieftöner im simulierten Gehäuse bringen kann. Einbezogen wird dabei die maximale mechanische Auslenkung und die maximale elektrische Belastbarkeit. Im folgenden Bild ist das Diagramm aus meiner Simulation zu sehen. Hier ist zu erkennen, dass kurz über der Abstimmfrequenz eine kleine Delle drin ist, diese deutet auf die Grenze von Xmax hin. Normalerweise würde bei der Abstimmfrequenz der maximale Pegel noch sehr viel höher gehen, wird allerdings durch die elektrische Belastbarkeit begrenzt. In diesem Diagramm sollte der Verlauf dennoch relativ gleichmäßig ohne allzugroße Abweichungen sein. Denn wenn über der Abstimmfrequenz schon Xmax für eine deutliche Delle sorgt, kann es im normalen Betrieb leichter dazu kommen, dass der Subwoofer anschlägt, bzw mechanisch überlastet wird.


Amplifier apparent load power (VA)
gibt abhängig von der Impedanz des Chassis die reale Belastung für den Verstärker aus. Besonders bei weniger impedanzstabilen Verstärkern ist dies interessant, bei einer guten Endstufe ist das Diagramm aber vernachlässigbar.

SPL
indem man in dem kleinen Eigenschaftsfenster vom Gehäuse, wo man auch das Volumen eingestellt hat, auf den Reiter "Signal" klickt, kann man definieren, mit welcher Leistung das simulierte Signal anliegen soll. Daraus berechnet WinISD den resultierenden Schalldruck im Freifeld (in 1m Entfernung). Hier wird allerdings KEINE Rücksicht auf die mechanische oder elektrische Grenze genommen. Daher sollte man diese Funktion nur zusammen mit der

Cone Excursion
nutzen. Hier kann man sehen, wie weit das Chassis mit den aktuellen Parametern bei einem definierten Signal auslenken würde. Hier könnte man z.B. theoretisch ermitteln, wieviel Leistung man auf das Chassis geben kann, bevor es an eine kritische Grenze kommt. Allerdings sollte man mit dieser Seite auch sehr vorsichtig sein und sie nur zusammen mit MaxSPL nutzen.


Impedance / Impedance Phase
gibt Aufschluss über den Impedanzverlauf und wie die elektrische Phase sich verhält. Zu niederohmige Werte sollte vermieden werden, aber das ist alles auch abhängig von der dann verwendeten Endstufe.

Passive Radiator
bei den drei Menüpunkten kann man bei einem Gehäuse mit einer passiven Membran ablesen, wie der Frequenzgang von der Membran alleine aussieht und wie diese auslenken würde. Vorallem die Cone Excursion ist interessant, da dies Aufschluss über die Dimensionierung der passiven Membran gibt, da diese oft mehr Hub machen muss wie der eigentliche Tieftöner.

Rear Port
bei Bassreflexgehäusen kann man hier das Verhalten vom Resonator sehen. Interessant ist hier vorallem der Punkt "Air Velocity", da man hier erkennen kann, wie schnell die Luft sich bewegen würde (dies ist im übrigen unabhängig vom Pegel, bei mehr Pegel ändert sich nur die Luftmenge). Der Wert sollte nicht zu hoch sein, um Strömungsgeräusche zu vermeiden. Durch Veränderung der Anzahl der Bassreflexports und deren Abmessung, kann man dessen Eigenschaften verändern. Als Ergebnis bekommt man immer die nötige Länge der gewünschten Ports und eine Kurve wie z.b. die folgende:


Front Port
Für Bandpassgehäuse, ist das gleiche wie bei BR Gehäusen nur für den zweiten Port.

Filter/Equalizer
wenn man den Tieftöner entzerren will, dann kann man entsprechende Filter einstellen unter der entsprechenden Reiterkarte. Welchen Einfluss diese Filter für sich allein haben, kann man dann in diesen Menüpunkten ersehen. Vorallem Subsonic Filter und Tiefpassfilter können teilweise extreme Auswirkungen haben, daher wäre vor derem realen Einsatz es sinnvoll zu schauen, wie es sich auf den Subwoofer auswirkt...auch im Zusammenhang mit ConeExcursion und der GLZ.



Einbeziehung des Druckkammereffektes im Raum:
WinISD macht eine Berechnung des Freqeunzganges im freien Feld, d.h. ohne Einfluss vom Raum. Da die meisten Räume aber begrenzt in ihren Abmessungen sind, kommt es zwangsweise zu starken Einflüssen durch die Raumakustik und ein im freien Feld linear bis 20Hz arbeitender Subwoofer kann im kleinen Wohnzimmer zu einer klanglichen Katastrophe werden, weil dort der tiefste Bereich extrem überbetont wird.
Daher sollte man zumindest den Druckkammereffekt einbeziehen in die Berechnungen. Mehr dazu findet ihr hier im Thread:
Thread über den Druckkammereffekt in Poison Nukes Forum







Konstruktion des Gehäuses

Einfach eine Kiste basteln, Loch rein, Chassis rein, fertig? Nein, das geht bei besten Willen maximal nur bei sehr kleinen Subwoofern und auch nur da eingeschränkt gut.

Wenn der Subwoofer etwas mehr Volumen braucht, wird es schnell richtig interessant mit dem Gehäuse.

Gehäuseform:
auch wenn ein sehr hoher und dafür schmaler Subwoofer vllt praktisch zu stellen ist, so kann sich schnell ein Problem mit den Moden im inneren ergeben, denn ein Subwoofergehäuse ist nichts anderes wie ein Raum, bei dem in eine der Wände ein Subwoofer eingebaut ist. Wie also auch beim Raum hat man in einem Gehäuse das Problem mit stehenden Wellen. Je größer das Gehäuse wird, desto tiefer liegen diese in der Frequenz. Da nun ein Subwoofer, auch wenn er z.B. bei 80Hz getrennt wird, trotzdem noch bis 200Hz mitspielen kann (da die Filter nur eine begrenzte Flankensteilheit haben können), kommen auch diese Frequnenzen im Gehäuse vor und durch die Membran oder durch das Bassreflexrohr können diese auch von außen hörbar werden. Interessant wird es auch noch dann, wenn das Chassis bei wenigen hundert Hz vllt schon seine erste Resonanz hat und damit der Pegel verstärkt wird, obwohl es schon deutlich überhalb der Trennfrequenz liegt.
Da man bei einem Subwoofer-Gehäuse nur im begrenzten Maße die "Aufstellung" optimieren kann, sprich den Tieftöner an einer anderen Stelle platzieren für eine geringer Anregung der Moden, man dafür aber den Raum selbst frei gestalten kann, bietet es sich an, das Gehäuse so zu bauen, dass gar keine stehenden Wellen entstehen können.
Wichtig wären hierfür z.B. nicht parallele Wände. Da ein Pentagon für ein Subwoofergehäuse allerdings viel Aufwand bedeutet und von der Stabilität her auch nicht so optimal wäre, würde sich eine Dreiecksform z.B. anbieten, welche auch überaus stabil ist. Oder gar gleich eine dreiseitige Pyramide...wobei diese allerdings rein von der Aufstellung und dem Platzbedarf für ein großes Volumen sehr anspruchsvoll ist.
Weiterhin ist so eine ausgefallene Konstruktion auch tendentiell bei größeren Subwoofern, wie meinen z.B., wichtig, wo Volumina deutlich über 100L benötigt werden.

Bei kleineren Subwoofern, die vllt auch nicht so hoch getrennt werden, ist eine herkömmliche Form allerdings oft kein Problem.


Versteifung vom Gehäuse, Minderung von Gehäuseschwingungen
das größte Problem beim bau eines Subwoofergehäuse ist es, dass der Tieftöner Schwingungen und Druck erzeugt, welche möglichst unverfälscht an den Raum abgegeben werden sollen. Wenn jetzt allerdings das Gehäuse vom Subwoofer mitschwingt, dann entzieht es einen Teil der Energie und das vorallem auch noch Frequenzabhängig. Somit kann es bei bestimmten Frequenzen dazu kommen, dass der Subwoofer einfach nicht so recht "knackig" klingt und teilweise vllt sogar dröhnig (was aber auch durch stehende Wellen im Subwoofer kommen kann).
Ein ideales Gehäuse ist so stabil, dass es sich kein µm mitbewegt, auch bei höchsten Pegeln. Ein Gehäuse aus dickem Stein wäre da sicher von Vorteil, allerdings kaum zu realisieren, geschweige denn dann noch zu transportieren.

aber auch bei Holzgehäusen gibt es viele Möglichkeiten, das ganze sogut wie völlig Schwingfrei zu bekommen.
Als erstes entscheident ist die Stärke der Seitenwände. dabei hängt es vom Material ab, welche Dicke am sinnvollsten ist und von der jeweiligen Fläche.
Bei Spanplatten, welche am günstigsten sind, ist z.B. für Flächen ab 30cm Breite / Höhe mindestens eine Stärke von 22mm oder noch mehr zu empfehlen. Bei OSB oder MDF ebenfalls. Bei stabilem Leimholz reichen auch 16mm, aber auch hier wären 22mm vorallem bei noch größeren FLächen zu empfehlen.
Da aber die meisten Subwoofer oft noch größere Abmessungen haben, sollten Versteifungsstreben gesetzt werden, welche die Seitenwände usw stabilisieren.
Eine Formel oder so dafür gibt es nicht. Meiner Erfahrung nach sollten MAXIMAL 20-30cm Gehäusewand alleintragend sein, ab dem Wert sollte dann eine Verstrebung zum Einsatz kommen. Im einfachsten Falle wäre dies ein Brett mit 5-10cm Breite, welches über die gesamte Seitenwand geleimt wird.
Noch besser, aber sehr viel Aufwändiger ist eine sogenannte "Matrixversteifung". Dabei werden mehrere Bretter, deren Fläche der Innenfläche vom Gehäuse entspricht, großzügig mit Lüftungskanälen versehen und dann in das Gehäuse wie eine weitere GEhäusewand eingebracht. Zwischen den einzelnen Schichten können dann zur weiteren Versteifung nochmal kleinere Bretter eingebracht werden, sodass man im Endeffekt für alle 3 Richtungen maximale Steifigkeit hat. SO würde das z.B. aussehen:



Eine weitere Möglichkeit, um das gesamte Gehäuse zu beruhigen, ist ein sog. "Sandwichaufbau". Dabei werden die Gehäusewände doppelt aufgebaut. Auf den äußeren Teil einer Seitenwand werden rundum luftdicht ein paar cm breite Streifen aus dem gleichen Holz aufgeleimt. Wenn in diese Seitenwand das Chassis oder der Kanal reinsoll, dann wird an der betreffende Stelle am besten für die ganze Fläche ebenfalls noch ein Brett aufgeleimt. Der verbleibende freie Raum wird dann zu 60% oder mehr mit Sand gefüllt und dann wird ein weiteres Brett deckungsgleich zum untersten aufgeleimt.
Damit bekommt man dann eine dreifach so dicke Seitenwand, die innen mit Sand gefüllt ist. Der Hintergrund ist der: Der Sand beschwert das Gehäuse sehr stark, wodurch es an sich schonmal unempfindlicher gegenüber den Impulsen vom Chassis wird. Weiterhin vernichtet der Sand sehr viel Bewegungsenergie durch innere Reibungen. Das merkt man allein schon, wenn man so ein Gehäuse tragen will, bei jeder Richtungsänderung oder so setzt es einem einen hohen Widerstand entgegen.
So würde das ganze z.B. aussehen:




Wenn man zwei Tieftöner in einem Gehäuse verwenden will, dann bietet es sich allerdings auch an, diese sich gegenüberliegend zu montieren, sodass der Subwoofer im Endeffekt nach links und rechst "abstrahlt". Dadurch heben sich sämtliche Beschleunigungskräfte, die die Tieftöner erzeugen, gegenseitig auf und es ist dann unnötig, einen sandwichaufbau zu machen oder den Subwoofer besonders schwer zu bauen. Allerdings ist es immernoch essentiell wichtig, dass der Subwoofer stabil gebaut ist.



Platzierung vom Bassreflexkanal
Das Problem beim BR Kanal ist, dass man ihn nicht einfach irgendwo platzieren kann. Denn der BR Kanal hat eine Phasenverschiebung gegenüber dem Signal vom Tieftöner...er spielt also etwas später. Und weiterhin kommen auch je nach Dämmung vom Gehäuse aus dem Kanal noch eventuelle Störgeräusche aus dem Gehäuse. Das Problem mit der Phasenverschiebung von dem BR Port ist der, dass im Übergangsbereich, wo Tieftöner und BR gleichlaut spielen, es zu Interferenzen kommt. Ideal wäre es, wenn der BR Port daher näher am Hörer ist wie das Chassis selbst. Allerdings sind bei ausreichend tiefer Trennung die Interferenzen zu vernachlässig. Erst wenn die abstimmung über 50Hz liegt sollte man darüber wirklich sich Gedanken machen.

Dennoch kann der Kanal nicht einfach irgendwo im Gehäuse angebracht werden. Wenn man z.B. den Kanal in eine Gehäuseecke legt und von dort aus in das Gehäuse sich öffnen lässt, dann verhält er sich völlig anders wie in der Simulation, weil nämlich die Gehäuseecken dann wie ein kleines Horn wirken und damit die effektive Fläche und Länge von dem Kanal sich verändert.
Gleichfalls problematisch ist es, wenn der Kanal zu lang oder zu kurz oder eine zu große Fläche hat. Bei einer zu großen Fläche kann es z.B. passieren, dass der Resonator gar nicht mehr funktioniert und die Luft einfach durchgeht wie bei einem offenen Gehäuse. In der Simulation mit WinISD sollte man also die Fläche möglichst so wählen, dass die Strömungsgeschwindigkeit nicht zu niedrig wird. Obwohl bei einer zu großen Fläche das Rohr normalerweise eh so lang werden müsste, dass man es kaum im Gehäuse unterbekommt.

Dafür kann man aber ein BR Kanal z.B. auch gleichzeitig als Versteifung nutzen, so wie im folgenden Bild dargestellt, wo es vordere Wand und hintere Wand verbindet:








Messen und einstellen des fertigen Subwoofers

Wenn der Subwoofer gebaut ist, möchte man natürlich herausfinden, ob er auch das tut, was er soll.

Da gerade bei einem Subwoofer die Wellenlängen so groß sind, dass in jedem herkömmlichen Raum die Raummoden etwas völlig anderes aus dem Frequenzgang machen als wie man haben möchte, bleibt zum realen Messen nur der Gang auf einen großen freien Platz.

wie die Messungen im einzelnen dann ablaufen, ist in diesem Thread gut nachzulesen:
Akustikmessung für Einsteiger in Poison Nukes Forum






Hinweise zur Endstufe


Damit aus dem gebauten Subwoofer auch schlussendlich was hörbares rauskommt, benötigen wir noch eine Endstufe für ihn, da heutige Receiver und Verstärker keine zusätzliche Endstufe mehr integriert haben für einen Subwoofer, da dessen Leistungsbedarf einfach zu groß ist und damit auch nur ein begrenzter Teil an Subwoofern betrieben werden könnte.

Um einen Subwoofer mit Leistung zu versorgen, gibt es nun mehrere Möglichkeiten:

Aktivmodul
Ein Aktivmodul für einen Subwoofer enthält eine Endstufe sowie eine Vorstufe, in der eine Frequenzweiche und teilweise noch Bassboost usw integriert sind. Diese Lösung ist die einfachste und bietet sich vorallem für nicht übermäßig leistungshungrige Subwoofer an. Allerdings verlangen diese Aktivmodule einen Einbau in ein Gehäuse. Diese kann das Subwoofergehäuse sein, wodurch bei jenem noch mehr Volumen verloren geht, als wie es schon durch Chassis und Versteifung der Fall ist, zudem wäre das Aktivmodul dort den Vibrationen massiv ausgesetzt und dadurch könnte eventuell die Lebenszeit auch verkürzt werden, wenn nicht alle Lötstellen einwandfrei sind z.B.
Man kann es aber auch in ein eigenes Gehäuse einbauen und z.B. neben den Subwoofer stellen.
Vorallem bieten sich Aktivmodule aber an, um einen Subwoofer in eine Stereoanlage zu integrieren, weil sie normalerweise eine Frequenzweiche mit integriert haben. D.h. man kann entweder die Lautsprecherausgänge vom Verstärker oder eventuell vorverstärkte Ausgänge (PreOut) anschließen und der Subwoofer nimmt sich seine Frequenzen heraus.
Der Nachteil ist allerdings, dass die meisten Frequenzweichen keinen sehr großen Regelbereich haben und damit der Subwoofer oft nur bis max. 120 oder 150Hz betrieben werden kann. Weiterhin die die Flexibilität bezüglich Equalizer und dem Anschluss von mehreren Subwoofern usw meist begrenzt und für eine Integration in eine Surroundanlage ist es auch weniger geeignet, weil bereits vom Receiver die Frequenzen gefiltert werden.


Endstufe
Die größte Flexibilität hat man, wenn man für den Subwoofer eine reine Endstufe nutzt, welche nur ein Eingangssignal verstärkt und nichts weiter macht. Da ist die Auswahl natürlich recht groß und ich kann hier auch nur grob eine Richtung geben.
Grundlegend wäre jeder Stereoverstärker geeignet, diese Aufgabe zu übernehmen. Dazu nimmt man einfach einen der Eingänge (CD oder so), dreht die Lautstärke auf 12Uhr oder höher (bis kurz bevor es anfängt deutlich zu rauschen, dann ist man im positiven Verstärkungsbereich der Vorstufe, der nicht so gut ist).
Da die meisten Stereoverstärker aber selten richtig Power haben, bzw wenn, dann sehr teuer sind, bietet es sich an, sich im Profi-Umfeld umzuschauen, genauer im PA Bereich. Dort gibt es schon für relativ wenig Geld sehr leistungsstarke Endstufen. Allerdings ist es ähnlich wie bei HiFi, im unteren Preisbereich versuchen sich die Hersteller mit den Leistungen zu übertrumpfen, obwohl die Geräte es gar nicht real schaffen. Größeres Problem ist aber, dass diese Endstufen alle aktiv gekühlt werden, man hat also ein dauerndes Lüfterrauschen. Wenn die Endstufen in einem Nebenraum oder einen Schrank eingebaut werden, ist dies allerdings weniger ein Problem. Und wer dann schon einen solch leistungsstarken Subwoofer baut, will sicher nicht nur leise hören.
Es gibt allerdings auch relativ günstige, passiv gekühlte Verstärker von Alesis:
Alesis RA Amps
für relativ wenig Geld bieten diese eine überragende Leistung.
Wie werden solche Endstufen nun an die Anlage angeschlossen? Da hier keine Frequenzweiche oder so vorhanden ist, kann man sie nicht ohne weiteres an eine Stereoanlage anschließen. Aber an eine Surroundanlage um so besser. Denn jeder Surroundreceiver hat für den Subwoofer bereits eine Frequenzweiche integriert. Teilweise haben sie sogar noch einen Equalizer für den Subwoofer und wenn dem so ist oder kein Equalizer benötigt wird, dann kann man so eine Endstufe über einen Adapter direkt am Subwoofer-Ausgang vom Receiver anschließen. Dabei ist es im Normalfall kein Problem, über einen Adapter von Cinch auf XLR oder 6,3mm Klinke zu gehen, die Ausgangsspannung bei Cinch ist zwar relativ gering, aber reicht normalerweise locker aus.
Allerdings kann man auf diese Weise auch maximal zwei Stereoendstufen sinnvoll betreiben, wenn jede Endstufe einen sog. "Parallel-Modus" kennt, bei dem sie nur ein Eingangssignal für zwei Ausgänge braucht.


Endstufe mit aktiver Frequenzweiche
Will man mehr als 2 Endstufen nutzen, bzw benötigt man noch einen guten Equalizer, eine Frequenzweiche und eventuell auch noch ein Delay und anderes für ein DBA z.B., dann kommt man nicht umher, eine reine aktive Frequenzweiche zu nutzen, bzw ein digitales Lautsprechermanagement-System.
Ich nutze bei mir z.B. die Behringer DCX 2496
Mit dieser Frequenzweiche kann man z.B. ein Stereosignal von einer Stereoanlage entgegennehmen, über die Summenfunktion ein Monosignal daraus bilden und es auf bis zu 6 symmetrische Ausgänge verteilen, die alle nochmal seperat eingestellt werden können für Frequenzweiche, Equalizer, Delay, Limiter uvm. Dieses Gerät ist aus meiner Sicht ideal für größere Subwooferinstallationen, weil man mit ihm alles erdenkliche machen kann. Es gäbe zwar noch hochwertigere Geräte, aber bei denen ist normalerweise nur der Funktionsumfang noch besser, oder die Robustheit vom Gerät selbst, klanglich können da auch Profis keinen Unterschied hören.

Mit so einer aktiven Frequenzweiche sind dann auch noch weitere Spielerreien möglich, so könnte man z.B. sogar jeden Kanal seiner Anlage damit aktiv trennen und für jedes Chassis eine einzelne Endstufe hinstellen und dann Hoch- Mittel- und Tieftöner getrennt ansteuern um diese noch präzisier einzustellen uvm. Das Feld ist aber enorm umfangreich. Sollte dazu Interesse bestehen, bitte in meinem Forum anfragen, da kann dann näher ins Detail gegangen werden.



Wichtig noch bei der Auswahl von Endstufen/Frequenzweichen usw: einige von ihnen haben feste Filter/Boosts usw integriert, die sich nicht abstellen lassen. So haben einige Endstufen z.B. einen festen Subsonic-Filter, der teilweise sogar bei 30Hz und höher liegen kann (Vorallem im PA Bereich kommt es vor). Aber auch einige Aktivmodule haben feste Subsonicfilter oder gar Equalizer drin. Da also vorher immer schauen.






Theoretisch sollte es damit jetzt gewesen sein und ein neuer Subwoofer beglückt die Anlage.

Sollte in diesem Beitrag etwas unklar sein, oder sollten mir Fehler unterlaufen sein oder etwas fehlen oder wenn ihr Vorschläge habt, dann sagt mir bitte entweder über das Forum oder über Email bescheid.


Erstellt von: Robert Menger (Domaininhaber); letzte Aktualisierung: 06.02.2013
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