Ein wenig Physik

...Spitzenklasse 3, Zweiter Platz links unten, von den Ohren namhafter Tester empfohlen ..."

...oder Individueller Selbstbau

Wenn sie Ihren Lautsprecher garantiert in einer der einschlägigen "Qualitätseinstufungslisten" wiederfinden wollen, ist Lautsprecherselbstbau unter Umständen nicht das Richtige für Sie. Sollten Sie jedoch über etwas handwerkliches Geschick verfügen, Freude an der Technik und vor allem Spaß am Musikhören haben, wird ein Lautsprecher für Sie nicht das "ominöse" und zu unrecht mystifizierte Wesen bleiben.

Bei industriell gefertigten Lautsprechern entfällt ein Großteil der Fertigungskosten auf das Gehäuse. Der Selbstbauer hat die Möglichkeit ein Gehäuse zu bauen, das seinen Vorstellungen entspricht und hinsichtlich des akustischen Verhaltens einem Fertiglausprecher überlegen sein kann. Was aber nicht heißen soll, daß es damit getan ist, ein hervorragend gebautes Gehäuse mit "Super-Power-Lautsprechern" und den oft angebotenen "Universalweichen" zu versehen. Hier trügt der Schein. Mit hochwertiger Musikwiedergabe hat das nicht viel zu tun. Ein guter Lautsprecher zeichnet sich nicht nur durch die hohe Qualität der eingesetzten Komponenten aus. Etwas Know How gehört auch dazu.

Um einige grundsätzliche Dinge verstehen zu können, läßt sich ein wenig Theorie leider nicht vermeiden. Jedoch soll in dieser Broschüre der praktische Bezug eindeutig im Vordergrund stehen. So finden Sie auf den nächsten Seiten das nötige "Handwerkszeug", gefolgt von Bauvorschlägen, die mit Lausprechern der Marken Seas, Peerless, Davis und Gradient konzipiert wurden.


Copyrigth I.T. Electronic GmbH

Alle Rechte des Nachdrucks, der fotomechanischen Wiedergabe und der Übersetzung vorbehalten.


Hinweis

Die im Folgenden mitgeteilten Schaltungen, Kombinationen und Verfahren werden ohne Rücksicht auf eine Patentlage veröffentlicht. Sie sind ausschließlich für Amateur- und Lehrzwecke bestimmt und dürfen nicht zu gewerblichen Zwecken genutzt werden. Alle technischen Angaben wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Da Fehler trotzdem nicht ganz auszuschließen sind, weisen wir darauf hin, daß eine Garantie, juristische Verantwortung oder Haftung für Folgen, die auf fehlerhafte Angaben zurückzuführen sind, nicht übernommen werden kann. Für die Mitteilung eventuell vorhandener Fehler sind wir jederzeit dankbar.

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Einführung

Musik gehört wohl zu den schönen Dingen des Lebens. In ihren vielfältigen Formen einmalig, kann sowohl das Spielen eines Instruments, als auch der Besuch eines Konzertes für den Menschen ein erfüllendes, entspannendes oder sogar beglückendes Gefühl sein.
In unserer technisch entwickelten Welt nimmt das Hören von Musik und Sprache über akustische Wiedergabesysteme einen immer größeren Raum ein. Man denke nur an die Medienlandschaft, mit dem ständig wachsenden Angebot an audiovisueller Information.
So ist es nicht verwunderlich, daß in fast allen Haushalten Lautsprecher zur akustischen Wiedergabe zu finden sind. Fernsehgeräte, Radios, Stereoanlagen u.s.w., benutzen Lautsprecher um unseren Ohren akustische Ereignisse zu übermitteln.
Besonderer Wert wird auf die Wiedergabeeigenschaften gelegt. Neutral, möglichst dem Original entsprechend, sollte es sein. Lautsprecher sollten bei der Wiedergabe dem elektrischen Eingangssignal weder etwas hinzufügen, noch etwas wegnehmen. In diesem Zusammenhang taucht auch immer der Begriff HiFi (High Fidelity) als Maßstab für naturgetreue Wiedergabe auf. Daß die naturgetreue Wiedergabe ein fast unerreichbar hohes Ziel ist, werden wir in den folgenden Abschnitten noch sehen.

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Das schwächste Glied...

Wie kann es sein, daß ein- und derselbe Lautsprecher von verschiedenen Personen so unterschiedlich beurteilt wird? Ist der Beurteilungsspielraum derartig groß, daß Hörer A verzückt der Musik lauschen und Hörer B sich mit Schaudern abwenden kann?
Vermutlich ist kaum jemand in der Lage zu beurteilen, inwieweit der Lautsprecher ein neutrales Glied der Übertragungskette ist.
Prinzipbedingt ist der Lautsprecher als elektrisch-akustischer Wandler das schwächste Glied in dieser Kette. Das größte Problem stellt dabei das unzureichende Verhalten des Lautsprechers im Zeitbereich dar.
Das heißt zum Ersten: Die Schwingeinheit (Membran) eines Lautsprechers ist nicht masselos und kann deshalb sprungartigen Änderungen des Musiksignals nicht unmittelbar folgen. Zweitens: Der Lautsprecher besitzt als System mit endlichem Federweg eine begrenzte Membranauslenkung und ist damit nicht in der Lage, Gleichdruck zu erzeugen.
Um dies zu erläutern ein Beispiel: Wird an die Klemmen eines idealen Lautsprechers (den es nicht gibt) eine Gleichspannung (Rechtecksprung) angelegt, wird er mit ständig wachsender Membranauslenkung, bei konstanter Membranbeschleunigung, reagieren. Dies würde der Erzeugung von Gleichdruck entsprechen, da der erzeugte Schalldruck eines Lautsprechers sich proportional zur Membranbeschleunigung verhält. Beim realen Lautsprecher wird die Membran nur so weit ausgelenkt, wie es die federartige Aufhängung erlaubt. Dann kommt die Membran zum Stillstand, womit der Schalldruck wieder abfällt. Bedauerlicherweise hat der reale Lautsprecher mit diesem Verhalten einen Wechselschalldruck erzeugt, obwohl dem Eingangssignal entsprechend, ein konstanter Druck gefordert war.
Siehe Abb. 1.0


Abb.1.0 Eingangssignal



Abb 1.0 Reaktion des Lautsprechers

Diese prinzipiellen Fehler im Zeitbereich (Ein- und Ausschwingverhalten), sind aus der meist benutzten Darstellung des Schalldruckfrequenzganges nicht ersichtlich. Das menschliche Ohr hört keinen ”Frequenzgang", sondern zeitliche Änderungen des Schalldrucks, wie sie auch von Geräuschquellen, z.B. Instrumenten, erzeugt werden.
Mit den konstruktiven Möglichkeiten, die heute zur Verfügung stehen, geht man einen Kompromiß ein. Um zumindest für kurze Zeit eine Art Gleichdruck zu erzeugen, verwendet man zur Wiedergabe tiefer Töne Lautsprecher mit großflächigen Membranen und großen Federwegen. Die Wiedergabe hoher Töne übernehmen Lautsprecher mit kleinen, leichten Membranen, die zeitlichen Änderungen des Musiksignales relativ schnell folgen können. Diese konstruktiven Beschränkungen führen zu Kombinationen mit mindestens zwei Lautsprechersystemen, Tieftöner und Hochtöner, denen über eine elektrische Filterschaltung (Frequenzweiche) der zu verarbeitende Frequenzbereich zugeteilt werden muß.

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Der dynamische Lautsprecher (Das Prinzip der Schallerzeugung)

Um zu verstehen, wie Schall erzeugt werden kann, fragen wir uns zuerst: "Was ist Schall?" Schaut man in ein Lehrbuch, findet man folgende Definition: ”Jedes in einem Medium schwingende Objekt sendet Schallwellen aus." Hört sich einfach an. Man stelle sich eine schwingende Platte vor, die die Luftmoleküle vor sich bewegt. Diese Bewegung wird von Luftmolekül zu Luftmolekül weitergegeben, die Schallenergie also auf diese Weise zum Empfänger (z.B. Ohr) gebracht.

Funktionsweise dynamischer Lautsprecher

Wie Schallerzeugung in der Praxis aussieht, sollen die beiden folgenden Zeichnungen verdeutlichen. Gezeigt wird ein elektrodynamischer Lautsprecher, dessen Prinzip im Lautsprecherbau derzeit am weitesten verbreitet ist.
Absicht ist es, eine flächige Membran anzutreiben, die die vor ihr befindliche Luft in Schwingung versetzt.


Abb. 1.1

Die grundlegende Funktionsweise des Membranantriebes, liegt in der Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld.Abb.1.1 zeigt einen vom Strom I durchflossenen Leiter, der sich mit der Länge L beweglich in einem Magnetfeld mit der Flußdichte B (Stärke des Magnetfeldes) befindet. Auf diesen Leiter wird, verursacht durch den Stromfluß, eine Kraft F ausgeübt. Diese Kraft, auch Lorenzkraft genannt, gehorcht folgender Gesetzmäßigkeit:

Es gilt für die Lorenzkraft: FL = I·L x B ([F] = N )

Abb.1.2 zeigt einen Lautsprecher im Schnitt. Der Leiter wird zu einer Spule aufgewickelt, das Magnetfeld ist ringförmig ausgeführt. Diese Konstruktion führt zu einer großen wirksamen Leiterlänge im Magnetfeld. Üblicherweise ist die Spule auf einen Papier- oder Aluminiumträger aufgebracht, der mit der Membran verbunden ist. Diese Einheit ist in Zentrierspinne und Sicke federnd aufgehangen. So erhält man ein schwingfähiges System. Wird die Schwingspule von einem Wechselstrom durchflossen, entstehen an- und abstoßende Kräfte, die die Membran und damit die vor ihr befindliche Luft in Schwingung versetzen.
Bevor wir jetzt etwas tiefer in die Materie des Lautsprecherbaus einsteigen, stellt sich dem Selbstbauer die Frage, ob er seinen Lautsprecher denn gänzlich selbst konzipieren möchte, oder auf einen Bauvorschlag zurückgreift.
Mit den Lautsprechern und den Bauvorschlägen unseres Programms haben Sie beide Möglichkeiten. Vielleicht benutzen Sie die Bauvorschläge nur als Anregung eine Lautsprecherbox zu bauen, die Ihren Vorstellungen hinsichtlich Design und Klang entspricht. Falls die Theorie Ihnen etwas zu trocken sein sollte, überspringen sie einfach die Punkte 2.3, 3, 3.1 und 3.2.


Abb 1.2

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Der Lautsprecher ein Masse-Feder System

Mechanisch gesehen, stellt der dynamische Lautsprecher ein Masse-Federsystem dar, ähnlich einem an einer Feder aufgehangenen Gewicht. Würde man an diesem Gewicht ziehen und dann loslassen, bewegte es sich in einem bestimmten Takt auf und ab. Dieser Takt (Schwingungen pro Sekunde), der von der Härte der Feder und der Masse des Gewichtes abhängig ist, wird als Resonanzfrequenz oder Eigenfrequenz des Schwingsystems bezeichnet.
Dieses System ist natürlich nicht verlustlos. Es würde sonst, einmal angestoßen, mit seiner Resonanzfrequenz immer weiter schwingen. Im Wesentlichen sind es zwei Dinge, die die Membran in ihrer Bewegung ”bremsen" (dämpfen). Zum einen handelt es sich um Reibungsverluste in Zentrierspinne und Sickenrand (mechanische Dämpfung), zum anderen um die elektromagnetische Bremswirkung der Schwingspule im Feld des Lautsprechermagneten (elektrische Dämpfung). Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften lassen sich durch einige wenige Daten, Thiele-Small Parameter (TSP) genannt, beschreiben.
fs: Resonanzfrequenz [Hz] (Eigenfrequenz, bestimmt durch die Membranmasse und die Weichheit (Nachgiebigkeit) der Membranaufhängung).
Vas: Äquivalentvolumen [Liter] (Maß für Nachgiebigkeit der Membranaufhängung in Abhänigkeit der Membranfläche).
Qms: Mechanische Güte [1]: (Maß für die mechanische Dämpfung (Reibung in Zentrierspinne und Sickenrand).
Qes: Elektrische Güte[1]: (Maß für die elektrische Dämpfung)
Qts: Freiluftgüte[1]: (Setzt sich aus Qms und Qes zusammen, beschreibt die Gesamtdämpfung des Lautsprechrs im nicht eingebauten Zustand).

Als Maß für die Dämpfung, wird hier der Begriff der Güte verwendet. Die Güte ist der Kehrwert der Dämpfung.
Oft ist es so, daß nur elektrische und mechanische Güte angegeben sind. Qts muß dann durch folgende Formel ermittelt werden.

Es gilt für die Güte Qts: Qts=(Qms·Qes)/(Qms+Qes)

Die Güte Qts liegt für einen ”brauchbaren" Lautsprecher zwischen ca. 0.25 und 0.60.
Die Thiele-Small Parameter (TSP) sind für die Gehäuseberechnung unbedingt notwendig. Achten Sie beim Kauf von Tieftonlautsprechern darauf, daß Sie ein Datenblatt mit diesen Angaben erhalten. Jeder seriöse Hersteller hält diese Daten zur Verfügung.

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Der Lautsprecher im Gehäuse

Warum muß ein Lautsprecher überhaupt in ein Gehäuse eingebaut werden?
Der Grund dafür liegt darin, daß sowohl von der Membranvorderseite, als auch von der Membranrückseite Schall abgestrahlt wird. Bewegt sich die Membran nach vorn, entsteht auf der Vorderseite ein Überdruck, gleichzeitig auf der Rückseite aber ein Unterdruck, was zumindest bei tiefen Frequenzen (Baßwiedergabe) zur gegenseitigen Aufhebung führt. Somit muß verhindert werden, daß Membranvorder- und Rückseite akustische Verbindung haben. Üblicherweise hilft man sich ganz einfach, indem man um die Rückseite des Lautsprechers ein Gehäuse baut.
Die Basis einer vollwertigen Lautsprecherbox ist ein solides Baßfundament. Ziel der Entwicklung ist eine möglichst tiefreichende Baßwiedergabe, kombiniert mit gutem Impulsverhalten. Um dies zu erreichen, ist es wichtig, daß die Kombination von Tieftonlautsprecher und Gehäuse zueinander paßt. Mit Hilfe der Thiele-Small Parameter (wichtig ist hier die Freiluftgüte Qts) kann festgestellt werden, welcher Lautsprecher (Treiber) für eine bestimmte Gehäuseart prädestiniert ist. Aus der folgenden Tabelle können sie die Eignung eines Lautsprechers für eine bestimmte Gehäuseart entnehmen.


Geschlossene- und Baßreflexgehäuse sind die meist verwendeten Gehäuseformen, auf deren Berechnung wir hier eigehen wollen. Vorab sei schon bemerkt, daß Baßreflexkonstruktionen (Verwendung von Lautsprechern mit geeigneten Parametern vorausgesetzt) hinsichtlich der Tieftonwiedergabe große Vorteile besitzen.

Geschlossene Gehäuse

Der Tieftonlautsprecher arbeitet auf ein geschlossenes Volumen. Das Luftvolumen im Gehäuse wirkt dabei auf den Lautsprecher wie eine zusätzliche Feder. Das heißt aber nichts anderes, als daß sich seine Parameter (Resonanzfrequenz und Güte) im eingebauten Zustand verändern. Maßgeblich für dieLinearität des Frequenzganges im Baßbereich ist die Güte des eingebauten Lautsprechers, die Gesamtgüte Qtc.

Abb. 3.0 zeigt, daß ein Qtc von 0.707 als günstig angesehen werden kann. In der Abbildung 2.0 sehen Sie, wie sich unterschiedliche Gesamtgüten Qtc auf den Frequenzgang im Bereich der Resonanzfrequenz auswirken.

Abb3.0;1-Qtc=1.0,2-Qtc=0,707,3-Qtc=0,5

Hat man einen Lautsprecher gefunden, dessen Freiluftgüte Qts zwischen ca 0.33 und 0.70 liegt, kann man nun sehr einfach das notwendige Gehäusevolumen bestimmen. Benötigt werden die Lautsprecherparameter fs, Vas und Qts. Vorher muß die Gesamtgüte Qtc des eingebauten Lautsprechers festgelegt werden. (Wir hatten schon festgestellt, daß hier ein Wert von 0.707 günstig ist).

Mit folgender Formel berechnen wir das Gehäusevolumen Vb:

Vb= Vas / (( Qtc2/Qts2)-1)

Lockere Füllung des Gehäuses mit Dämpfungsmaterial führt zu einer scheinbaren Volumenvergrößerung, so daß vom errechneten Volumen ca 10% abgezogen werden können.

Brauchbare Werte für Qtc liegen zwischen 0.6 und 1.0. Werte 1.0 zu einer deutlichen Schalldrucküberhöhung im Bereich der Resonanzfrequenz und schlechterem Implusverhalten.

Zur Veranschaulichung eine kurze Beispielrechnung an Hand des Tief-Mitteltonlautsprechers GRADIENT TPC 145 RX/8.

Zuerst besorgen wir uns die zur Berechnung notwendigen Paramenter Qts und Vas aus dem Datenblatt des Lautsprechers.

Parameter TPC 145 RX/8:

Qts = 0.35

Vas = 16 Liter

Gesamt-Einbaugüte:

Qtc = 0.707

Volumenberechnung des Gehäuses:

Formel: Vb = Vas / (( Qtc2 / Qts2 - 1)

eingesetzt ergibt sich:

VB = 5.19 Liter

Wird das Gehäuse mit Dämpfungsmaterial gefüllt, ergibt sich durch Abzug von 10% ein Volumen von 4.70 Liter.

Die Resonanzfrequenz fc des eingebauten Lautsprechers liegt, bedingt durch das ”Luftpolster" hinter dem Chassis, höher als die Freiluftresonanz, was den Übertragungsbereich zu tiefen Frequenzen natürlich etwas einschränkt. Die Einbauresonanzfrequenz ist insofern eine interessante Größe, da unterhalb dieser Frequenz keine nennenswerte Schallabstrahlung stattfindet. Die Einbauresonanzfrequenz läßt sich berechnen mit:

Einbauresonanzfrequenz fc = sqr (fs2 •(Vas/Vb + 1))

(sqr=Quadratwurzel aus...)

Es ist recht mühsam, diese Berechnungen mit dem Taschenrechner durchzuführen. Mittlerweile gibt es Computerprogramme, die dem Selbstbauer diese Arbeit abnehmen können.

An dieser Stelle sei ein Programm namens BOXCALC angeführt (siehe auch Seite 71), mit dem alle berechneten Frequenzgänge ermittelt wurden. Mit BOXCALC lassen sich neben geschlossenen Gehäusen, auch Baßreflex- und Bandpaßgehäuse schnell und unkompliziert berechnen und deren Frequenzgänge grafisch darstellen.

Eine Erweiterung des Tieftonbereichs läßt sich durch Baßreflexboxen erreichen, deren Funktionsweise wir im Folgenden kennenlernen werden.

Baßreflexgehäuse

Etwas komplizierter ist die Funktionsweise und Berechnung einer Baßreflexbox. Der etwas höhere Aufwand bei Berechnung und Gehäusebau, zahlt sich durch Vorteile in der Baßwiedergabe aus. Vorurteile gegen das Prinzip der Reflexbox sind wohl mit der Veröffentlichung recht ominöser Abstimmungsmethoden zu begründen.

Im Gegensatz zum geschlossenen Gehäuse, bleibt die rückseitig vom Lautsprecher abgestrahlte Energie nicht ungenutzt. Das Gehäuse erhält eine Öffnung, die meist als Tunnel rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitts ausgeführt ist. Der Lautsprecher arbeitet auf diesem System, das auch als Helmholtzresonator bezeichnet wird. Die Membranrückseite des Lautsprechers ist über das Luftpolster im Gehäuse (Feder) mit der Luftmasse im Tunnel gekoppelt. Wir haben also das schwingfähige System Lautsprecher mit einem zweiten schwingfähigen System, dem Resonator, verbunden.

Abb. 3.1 verdeutlicht das Prinzip anhand eines Modells.

Abb 3.1

Die angedeutete Kraft F, die dem vom Verstärker an den Lautsprecher gelieferten Signal entpricht, regt dieses System zu Schwingungen an. Wir können nun drei Fälle unterscheiden, je nachdem mit welcher Frequenz das System angeregt wird.

Fall 1 -Hohe Frequenz, schnelle Bewegungen der Membran werden durch die Feder aufgefangen, die Masse bleibt in Ruhe. Das System verhält sich wie eine geschlossene Box.

Fall 2 -Die Frequenz wird verringert, die Masse beginnt zu schwingen. Bei einer bestimmten Frequenz werden die Bewegungen der Masse sehr groß, im Vergleich zur Bewegung der Membran, sein. Dieser Resonanzfall ist dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen der Massen zueinander gegensinnig sind, was aber bedeutet, daß Membran und Luftmasse im Tunnel, sich gleichzeitig nach außen und innen bewegen. Diese Frequenz wird auch als Abstimm- oder Tuningfrequenz fb bezeichnet.

Fall 3 -Bei noch tieferen Frequenzen bewegen sich Membran und Luftmasse gleichsinnig, d.h, die Membran bewegt sich nach innen, die Luftmasse nach außen.

Die Richtungsverhältnisse der Bewegungen zueinander, werden in der Schwingungslehre oft durch den Begriff der Phasenlage charakterisiert. Zur Verdeutlichung betrachten wir nochmal den Resonanzfall (Fall 2). Membran und Luftmasse gleichzeitig nach außen. Die Phasendifferenz ist hier 0°. Das heißt, daß sich die Schallanteile von Rohr und Membran addieren. Betrachtet man Fall 3, ist hier eine Phasendifferenz von 180° vorhanden, wodurch sich die Schallanteile auslöschen.

Im Bereich der Resonanzfrequenz sind die Schallanteile von Membran und Tunnel gleichphasig, so daß es in diesem Bereich zu einer Verstärkung des Schalldrucks (bis zu +6dB gegenüber geschlossenen Konstruktionen) kommt. Der Übertragungsbereich läßt sich mit Reflexboxen zu tiefen Frequenzen hin beträchtlich erweitern. (siehe Abb. 3.2)

Abb. 3.2

Um nicht tiefer in die Mathematik einsteigen zu müssen, greifen wir zur Berechnung von Baßreflexgehäusen auf Tabellen der australischen Physiker Thiele und Small zurück, in denen sie ihre Erkenntnisse über die Berechnung von Reflexboxen zusammengefaßt haben. Mit ihrer Hilfe werden die Gehäuseparameter, in Abhängigkeit der Lautsprecherparameter, auf einfache Art und Weise festgelegt.

Zur exakten Beschreibung des Reflexgehäuses müssen folgende Größen bestimmt werden:

Nettogehäusevolumen Vb [Liter]

Tunnelquerschnittfläche Sv [cm2]

Tunnellänge Lv [cm]

Zur Berechnung werden die folgenden Lautsprecherdaten benötigt:

Resonanzfrequenz fs [Hz]

Freiluftgüte Qts [1]

Äquivalentvolumen Vas [Liter]

Da Baßreflexgehäuse größere Gehäuseverluste besitzen als geschlossene Gehäuse, müssen diese Verluste in der Berechnung berücksichtigt werden. Der Gehäuseverlustfaktor Ql muß vor der Berechnung abgeschätzt werden. Man setzterfahrungsgemäß für kleine Gehäuse (Vb < 40 L) Ql = 10, für mittlere Gehäuse (Vb= 40-100L) Ql = 7 und für große Gehäuse (Vb= > 100 L) Ql = 5 an.

Durch eine annäherungsweise Volumenberechnung muß zuerst die zu erwartende Gehäusegröße bestimmt werden, um danach mit den Werten der ”richtigen" Tabelle die genaue Gehäusegröße festzulegen.

Die Tabelle erklärt sich folgendermaßen: Unter Qts findet man die Freiluftgüte Qts des einzusetzenden Lautsprechers. In der Zeile hinter dem Qts Wert finden sich die Abstimmfaktoren h, a und b.

Tabelle 1
Ql=5
Ql=7
Ql=10
Gehäuse>100 Liter
Gehäuse 40-100 Liter
Gehäuse<40Liter
Qts h a b h a b h a b
0.25 1.61 4.46 2.02 1.56 4.58 1.97 1.53 5.16 2.02
0.26 1.55 4.04 1.93 1.51 4.15 1.88 1.47 4.23 1.84
0.27 1.49 3.67 1.84 1.45 3.77 1.79 1.42 3.85 1.76
0.28 1.44 3.34 1.76 1.40 3.43 1.72 1.37 3.50 1.68
0.29 1.40 3.04 1.69 1.36 3.12 1.64 1.33 3.18 1.61
0.30 1.35 2.77 1.62 1.31 2.85 1.57 1.29 2.90 1.54
0.31 1.31 2.52 1.55 1.27 2.59 1.51 1.25 2.65 1.47
0.32 1.27 2.30 1.49 1.24 2.37 1.44 1.21 2.42 1.41
0.33 1.23 2.10 1.43 1.20 2.16 1.38 1.18 2.20 1.35
0.34 1.20 1.91 1.37 1.17 1.97 1.33 1.15 2.01 1.29
0.35 1.17 1.74 1.31 1.14 1.80 1.27 1.12 1.83 1.24
0.36 1.14 1.59 1.26 1.11 1.64 1.22 1.09 1.67 1.19
0.37 1.11 1.45 1.21 1.09 1.49 1.17 1.07 1.52 1.13
0.38 1.08 1.31 1.16 1.06 1.36 1.12 1.04 1.38 1.08
0.39 1.06 1.19 1.11 1.03 1.23 1.07 1.02 1.26 1.04
0.40 1.03 1.08 1.06 1.01 1.11 1.02 1.00 1.14 0.99
0.41 1.01 0.98 1.02 0.99 1.01 0.98 0.97 1.03 0.95
0.42 0.99 0.88 0.98 0.97 0.91 0.94 0.95 0.94 0.91
0.43 0.97 0.79 0.94 0.94 0.83 0.90 0.93 0.86 0.87
0.44 0.94 0.72 0.90 0.92 0.75 0.87 0.91 0.78 0.84

Am einfachsten zeigt sich die Vorgehensweise anhand eines Beispiels. Wir ziehen zur Demonstration wieder den aus dem Kapitel ”geschlossene Gehäuse" schon bekannten Lautsprecher Gradient TPC 145 RX/8 heran.

Parameter TPC 145 RX/8:

Qts=0.35

Vas=16 Liter

fs=51 Hz

Zur näherungsweisen Volumenberechnung geht man in der mittleren Tabelle unter der Spalte Qts in die Zeile 0.35. In dieser Zeile findet man unter der Spalte a einen Wert von 1.80. Mit diesem Volumenabstimmfaktor wird das ca. Volumen ermittelt. Nun berechnen wir mit folgender Formel das vorläufige Gehäusevolumen Vb:

Vb = Vas / a

Setzt man die Werte ein, ergibt sich: Vb = 16 Liter/1.80 = ca. 8.9 Liter

Wie unschwer zu erkennen ist, gehört das Gehäuse in die Gruppe Gehäuse < 40 Liter, also nutzen wir die rechte der drei Tabellen. Wir wiederholen den Vorgang der Volumenberechnung mit den Werten der ”richtigen" Tabelle.

Parameter TPC 145 RX/8:

QTS=0.35

Vas=16 Liter

fs=51 Hz

Abstimmfaktoren:

a=1.83

h=1.12

Volumenberechnung des Gehäuses:

Formel Vb=Vas/a

eingesetzt ergibt sich:

Vb=16 Liter/1.83

Vb=8.70 Liter

Nun müssen die Tunnelabmessungen bestimmt werden. Üblicherweise verwendet man Tunnelkonstruktionen, die als Rohr rechteckiger oder runder Querschnittfläche Sv, bündig mit einer Außenwand des Gehäuses abschließen. Wir werden uns auf diese Ausführung beschränken.

Zuerst wird die Querschnittsfläche Sv des Tunnels bestimmt. Die Querschnittsfläche muß der akustischen Energie angepaßt sein, die der Lautsprecher auf seiner Membranrückseite abgeben kann. Wird der Tunnelquerschnitt zu klein gewählt, kann es zu Strömungsgeräuschen kommen. Aus der untenstehenden Tabelle können Sie entnehmen, welche Querschnittsfläche Sv für ein bestimmtes Lautsprecherkorbmaß, (entspricht ungefähr dem Außendurchmesser des Chassis), nicht unterschritten werden sollte.

Es erweist sich als günstig, einen etwas größeren Querschnitt zu wählen, wenn die erforderliche Länge im Lautsprechergehäuse unterzubringen ist. Da der TPC 145 in die Gattung der 140 mm Chassis einzuordnen ist, erhält das Gehäuse lt. Tabelle, einen Tunnel mit einer Querschnittsfläche von ca. 16 cm2, was bei kreisförmigem Querschnitt einem Durchmesser Dv von 4.5 cm entspricht.

Zur Berechnung der Rohrlänge Lv dient folgende Formel:

Lv = ((30000·Sv)/(Vb·(h·fs)2))-0.82·sqr(Sv)

(sqr = Quadratwurzel aus....)

Für das Beispiel ergibt sich dann weiter:

Parameter TPC 145 RX/8:

Qts=0.35

Vas=16 Liter

fs=51 Hz

Abstimmfaktoren:

a=1.83

h=1.12

Tunnelquerschnittfläche:

Sv =15.9 cm2

Längenberechnung des Tunnels:

In die Formel für Lv eingesetzt ergibt sich:

Lv = 30000·15.9 cm2 - 0.82·sqr (15.9 cm2) = 13.5cm

(8.7 L· (1.12·51 Hz)2

Ob der Reflextunnel mit rundem oder rechteckigem Querschnitt ausgeführt wird, spielt für die Funktion des Lautsprechers keine Rolle.

Ähnlich wie beim geschlossenen Gehäuse, läßt sich auch für Baßreflexboxen eine sogenannte Grenzfrequenz f3 errechnen, unterhalb der keine nennenswerte Schallabstrahlung erfolgt. Diese Frequenz läßt sich mit dem Abstimmfaktor b berechnen:

f3 = b·fs = 1.24·51 Hz = 63.24 Hz

Vergleichen wir die Grenzfrequenz der Baßreflexkonstruktion mit der Grenzfrequenz der geschlossenen Box aus Kapitel 3.1. (Es wurde der gleiche Lautsprecher benutzt, bei einer Grenzfrequenz von 103 Hz), spricht ein Unterschied von 40 Hz in diesem Fall eindeutig zu Gunsten der Baßreflexbox.

Bedämpfung

Auch eine Baßreflexbox sollte locker mit Dämpfungsmaterial (Polyesterwatte; Wolle) gefüllt werden, um stehende Wellen im Gehäuseinneren zu mindern. Der Bereich um das innere Ende des Rexflextunnels wird dabei ausgespart, damit eine ungehinderte Luftbewegung im Rohr möglich ist. (Weitere Hinweise zu Dämmung und Dämpfung im Kapitel Gehäusebau)

Fehlabstimmung

Zum Schluß wollen wir noch eine kurze, "praktische" Betrachtung machen. Was passiert, wenn die Tunnellänge, abweichend von der errechneten Ideallänge, in gewissen Grenzen verändert wird?

Abb. 3.3 zeigt die Auswirkungen einer Kürzung bzw. Verlängerung um 30% auf den Frequenzgang im Tieftonbereich, wiederum am Beispiel TPC 145 RX/8. Eine Verlängerung des Tunnels führt zu einem flacheren Baßabfall und eher schlanker Tieftonwiedergabe. Kürzen des Tunnels führt zu einer Anhebung des Schalldrucks im Bereich der Resonanzfrequenz und zu einer stärker betonten, allerdings nicht so tiefreichenden Baßwiedergabe.


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Gehäusebau

In diesem Kapitel behandeln wir verschiedene Aspekte des Gehäusebaus. Von geeigneten Materialien bis hin zu Bedämpfungsmethoden.

Gehäusematerialien

Grundsätzlich würden sich für den Gehäusebau alle Materialien eignen, die in Plattenform erhältlich sind. Je nach Dichte und Stabilität hat aber jedes Material einen Einfluß auf die klanglichen Eigenschaften einer Lautsprecherbox.

Die rückseitig vom Lautsprecher abgestrahlte Energie versetzt die Gehäusewände in Schwingungen. Nun wirken aber schwingende Gehäusewände wie Schallquellen, deren Schallanteile sich zu dem vom Lautsprecher abgestrahlten Schall addieren. Die Folge sind Klangverfälschungen. Im Idealfall wird der Schall nur von den Lautsprechermembranen abgestrahlt.

Um Schalldurchlässigkeit und Schwingungsanfälligkeit von Gehäusen zu reduzieren, verwendet man Materialien hoher Dichte und hoher innerer Dämpfung.

Nicht nur aus Gewichtsgründen ist Holz in Form von Span- oder Mitteldichter Faserplatte (MDF) sehr gebräuchlich. Im Gegensatz zu Massivholz zeigen Span- und MDF-Platten ein neutraleres akustisches Verhalten, ohne ausgeprägte Resonanzen. Zudem werden Zuschnitte in Baumärkten recht preisgünstig angeboten. Ein sehr gutes Ergebnis wird normalerweise mit einem aus 19 mm starker Spanplatte gebauten Gehäuse, das zusätzlich versteift ist, erzielt.

Der Vollständigkeit halber, wollen wir die gebräuchlichsten Materialien einmal aufführen, Vor- und Nachteile herausstellen und Verarbeitungshinweise geben.

Preßspanplatte (sehr gut geeignet)

Aus Holzspänen und einem Binder in Plattenform gepreßt, besitzt sie eine relativ glatte Oberfläche. Die Schnittkanten sind jedoch sehr grobporig. Klebungen werden mit normalem Holzleim durchgeführt. Die Oberfläche wird vorzugsweise furniert, mit Folie beklebt oder lackiert. Um bei Lackierungen ein einwandfreies Finish zu erzielen, muß mit Schleifpapier, Spachtel und Füller nachgeholfen werden.

Für kleinere Boxen, bis ca. 10 Liter Volumen, sollte die Holzstärke 16 mm, für größere Gehäuse 19 mm nicht unterschreiten. Innenversteifungen sind vorteilhaft.

MDF-Platte (gut geeignet)

Aus Holzfasern und Binder in Plattenform gepreßt, besitzt sie eine dichtere Struktur und viel glattere Oberfläche als die Spanplatte. Verklebungen mit Holzleim. Die Oberflächenbehandlung gestaltet sich einfacher, erfordert aber die gleichen Arbeitsgänge wie bei der Spanplatte. Auch hier gilt für die Holzstärken: kleine Gehäuse 16 mm, größere Gehäuse mind. 19 mm. Innenversteifungen sind, wie bei der Spanplatte, vorteilhaft.

Stein (mäßig geeignet)

Marmor, Granit und Schiefer sind die gängigsten Natursteinarten, die zum Bau außergewöhnlicher Gehäuse dienen können. Nachteilig ist die schwierige Bearbeitung, die Maschinen und handwerkliche Fähigkeiten eines Steinmetzes verlangen. Etwas problematisch ist auch die geringe innere Dämpfung des Materials, was zu einem relativ starken ”Eigenklang" des Gehäuses im hörempfindlichen mittleren Frequenzbereich führt. Das Aufkleben einer mindestens 3 mm starken Bitumenplatte auf die Gehäusewände, kann diesen Effekt weitgehend beseitigen.

Kunststoff (gut geeignet, Bearbeitung nicht ganz einfach)

Bei den Kunststoffen bietet sich vor allem Acrylglas an. Ein sauber aufgebautes Gehäuse, das die inneren Werte nicht verbirgt, ist schon etwas Besonderes. Es sei aber darauf hingewiesen, daß die Verarbeitung derartiger Materialien spezielles Werkzeug und Kenntnisse in der Kunststoffverarbeitung erfordert.

Gehäuseformen

Das Motto kann hier nur heißen ”Erlaubt ist, was gefällt". Es muß nicht die rechteckige, tönende Einheitskiste sein, die schon jeder kennt. Eine außergewöhnliche Gehäuseform ist nicht nur Blickfang, sie kann sogar technische Vorteile haben. Gehäuse deren Wandflächen nicht parallel verlaufen (z.B. Pyramiden) neigen weniger zu Gehäuseschwingungen als rechteckige Formen.

Bisher haben wir durch Berechnungen das Nettogehäusevolumen unseres Lautsprechers festgelegt, das nun in eine technisch sinnvolle und optisch ansprechende Form gebracht werden will. Wichtig ist, daß der Frequenzbereich von ca. 500 Hz bis 8000 Hz, in dem das menschliche Ohr die größte Empfindlichkeit besitzt, möglichst optimal wiedergegeben werden kann.

Einige Grundregeln zur Gehäuse-konstruktion

1. Ordnen Sie die Mittel- und Hochtonlautsprecher auf einer senkrechten Linie dicht übereinander an.

2. Wählen Sie die Anordnung so, daß sich Lautsprecher, die zur Wiedergabe mittlerer und hoher Töne dienen, in der späteren Aufstellungsposition in Ohrhöhe befinden. (Abb. 4.0)

3. Baßreflexöffnungen sollten so angebracht sein, daß die Luftbewegung nicht behindert wird.

4. Vermeiden Sie (auch in Teilen) würfelförmige Gehäuse.

Abb. 4.0

Holzzuschnitt und Aufbau

In den meisten Bau- und Heimwerkermärkten kann man sich unter Vorlage einer Zuschnittliste (mit den Einzelmaßen der Platten) MDF- oder Spanplatten zuschneiden lassen. Ebenfalls im Baumarkt erhält man Holzleim oder sog. Express-Holzleim (bindet schneller ab), womit die Platten später verklebt werden.

Nägel oder Schrauben zum Verbinden der Holzplatten werden nicht benötigt. Die Stabilität eines gut verleimten Gehäuses ist völlig ausreichend. Nagel- oder Schraubenköpfe verunstalten die Gehäuseoberfläche und müssen später mit Spachtel unsichtbar gemacht werden.

Für einige Bauvorschläge sind vorgefertigte Schallwände erhältlich, auf die Sie zurückgreifen sollten, da die Herstellung einer Schallwand mit den Ausfräsungen für die Lautsprecher, ohne Verwendung einer Oberfräse, fast unmöglich ist.

Wenn der Gehäuserohbau fertiggestellt ist, lassen sich eventuelle Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche (leicht überstehende Kanten usw.) mit Schleifklotz und Schmirgelpapier beseitigen. Für eine einwandfreie Oberfläche, sind ein paar Spachtelübungen sinnvoll. Zwei-Komponenten-Spachtel (Polyesterspachtel aus dem KFZ-Bereich) ist gut zu verarbeiten, haftet gut, trocknet schnell und läßt sich hervorragend schleifen. Achten Sie vor dem Spachteln auf eine staubfreie, saubere Oberfläche.

Gehäusestabilität

Die Stabilität des Gehäuses läßt sich durch zusätzliche Versteifungen im Inneren entscheidend verbessern. Hochkant aufgeleimte Leisten oder Verstrebungen zwischen zwei Wänden sind einfache, aber sehr wirkungsvolle Maßnahmen zur Verringerung von Wandbewegungen.(Abb.5.0)

Abb. 5.0

Oberflächenbehandlung

Für viele Lautsprecherselbstbauer sind die praktisch unbegrenzten Möglichkeiten der individuellen Oberflächengestaltung ein ganz großer Vorteil. Die selbstgebaute Box wird zum unverwechselbaren Unikat. Wir beschreiben im Folgenden nur einige der vielen Möglichkeiten.

Lack

Eine Lackierung ermöglicht unzählige Farbtöne, wodurch sie sich an jeden Einrichtungsstil anpassen läßt. Bisher liegt ein gespachteltes und geschliffenes Rohgehäuse vor uns. Vor der endgültigen Lackierung erhält das Gehäuse ein bis zwei Schichten Grundierung, die mit Pinsel, Schaumrolle oder mit der Sprühdose aufgebracht werden. Jede Schicht sollte gut durchtrocknen und kann dann mit feinem Schmirgelpapier geschliffen werden.

Zur abschließenden farbigen Lackierung können Acryl- oder Kunstharzlacke verwendet werden. Die Lackierung mit einem breiten, hochwertigen Pinsel ist möglich, aber nicht ganz einfach. Gute Ergebnisse lassen sich mit Lackierrollen aus Schaumstoff erzielen. Die glatteste Oberfläche wird erzielt, wenn Lack aus der Sprühdose verwendet wird. Besonders für kleinere Lautsprechergehäuse ist dies eine Alternative.

Folien,Stoffe usw.

Eine einfache Möglichkeit besteht darin, die Oberfläche zu bekleben. Es gibt selbstklebende Folien als Meter- und Rollenware in vielen verschiedenen Designs, ob hochglänzend, matt oder samtartig rauh. Die Verarbeitung ist relativ unproblematisch. Etwas handwerkliches Geschick benötigt man an den Gehäusekanten.

Originelle Oberflächen sind auch vorstellbar, durch Aufkleben einer außergewöhnlichen Tapete, eines interessant bedruckten Stoffes, oder auch z.B. Fliesen oder Spiegelglas.

Dämmung und Dämpfung

Zuerst eine kurze Erklärung des Unterschiedes. Unter Dämmung versteht man eine Maßnahme zur Verminderung der Schalldurchlässigkeit und Schwingneigung der Gehäusewand. Das heißt: Eine Dämmungsmaßnahme wird direkt auf der Gehäusewand durchgeführt. Möglichkeiten dazu bieten die schon erwähnten Versteifungen und auf Wandflächen aufgeklebte Bitumen-oder Weichfaserplatten.

Unter Dämpfung versteht man die Umwandlung von Schall- in Wärmeenergie. Zur Verdeutlichung ein Beispiel: Stellen Sie sich ein schwingendes Pendel vor, das Sie zur Ruhe bringen möchten. Eine Möglichkeit dies zu tun, bestünde darin, das Pendel in einen ”zähen Brei" zu tauchen, der dem Pendel die Bewegungsenergie entzieht und in Wärme umwandelt. Nun ist Schall aber nichts anderes als schwingende Lutftteilchen, denen man z.B. durch poröse Materialien wie Polyesterwatte, Natur- oder Steinwolle, die Bewegungsenergie entziehen kann. Dazu ist es sinnvoll, den gesamten Gehäuseinnenraum mit Dämpfungsmaterial zu füllen. Energie die so umgewandelt wird, kann die Gehäusewände nicht mehr zum Schwingen anregen.

In der Praxis füllt man den gesamten Innenraum locker (nicht gestopft) mit Dämpfungsmaterial. Bei Reflexboxen muß der Bereich um das in die Box ragende Tunnelende freibleiben.

Wir wünschen Ihnen viel Spaß beim Aufbau Ihrer Box und stehen Ihnen für Fragen gerne zur Verfügung.

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