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    Erik - Mittwoch 1 August 2021

    Grundlegender Leitfaden zu Lautsprechergehäusen

    Das Gehäuse ist entscheidend für die Funktion eines Lautsprechers. Deshalb habe begonnen, diesen Blog zu schreiben, um die grundlegenden Gehäusetypen und ihre Funktionen, die guten, die schlechten und die manchmal unschönen zu erläutern, und zwar auf eine Art und Weise, die zugänglich ist, aber auch genug Tiefe bietet, um Ihre Entscheidung zu treffen, wenn Sie Ihr Lautsprecherprojekt beginnen. Außerdem bieten wir Ihnen ein gutes Verständnis für die Vor- und Nachteile dieser Konstruktionen. Um die Übersichtlichkeit zu wahren, wurden einige Varianten und Themen wie Hornlautsprecher ausgelassen. Diese erfordern in Zukunft eigene Blogs. Dieser Blog wird sich weitestgehend von subjektiven Betrachtungen der verschiedenen Gehäusetypen fernhalten, auch wenn dies im HiFi-Bereich schwierig sein mag. Die folgenden Gehäusetypen und Themen werden besprochen:

    • Die Notwendigkeit eines Gehäuses
    • Endliche "offene" Schallwand
    • Geschlossenes Gehäuse
    • Belüftetes/Bassreflex-Gehäuse
    • Übertragungsleitungs-Gehäuse

     

    Die Notwendigkeit eines Gehäuses

    Warum braucht man überhaupt ein Gehäuse? Wenn ein Lautsprechertreiber ein elektrisches Signal in eine mechanische Kolbenwirkung umwandelt, komprimiert er die Luft vor der Membran, wodurch eine Druckwelle entsteht, die als Kondensation bezeichnet wird. Gleichzeitig bewirkt er den gegenteiligen Effekt auf der anderen Seite der Membran, was zu einem Teilvakuum führt, das als Verdünnung bezeichnet wird. Wenn sich der Membrankegel in Abhängigkeit vom elektrischen Signal in die andere Richtung bewegt, wird dieser Vorgang als Oszillation bezeichnet

     

    Das dritte Newtonsche Gesetz: "Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion."

     

    Am einfachsten lässt sich dies visualisieren, indem man sich die Druckwelle als +1 und die Gegenwelle als -1 vorstellt. Wenn Sie diese addieren, erhalten Sie in der Schallterminologie Null; sie heben sich gegenseitig auf. (Hinweis: Dies ist eine sehr vereinfachte Erklärung und berücksichtigt keine Faktoren wie Abstrahlverhalten usw.). Dies ist kein erwünschter Effekt. Dieser Effekt muss wie bei einer offenen Schallwand abgeschwächt, wie bei einem Bassreflex oder einem akustischen Labyrinth kontrolliert oder wie bei einem geschlossenen Gehäuse absorbiert werden, um einem Lautsprecher einen nutzbaren Frequenzbereich zu geben.

     

    Endliche und "offene" Schallwand Lautsprechergehäuse

    Die ideale Situation für einen Lautsprechertreiber wäre die unendliche Schallwand, bei der sich die vordere und hintere Welle nie treffen und eine unendliche Abstrahlfläche darstellen würde. Dadurch kann sich der Lautsprecher ohne die negativen Auswirkungen eines Gehäuses wie Beugung, Schallwandstufenverlust und Gehäuseresonanzen verhalten. Leider ist dies einfach keine praktische Lösung, also wurde ein Kompromiss gefunden: der Lautsprecher mit endlicher oder offener Schallwand.

     

    Dieses Gehäuse mildert die Aufhebungseffekte ab und erzeugt einen Frequenzgang nach dem „Figure-8“-Modell, bei dem sich die Schallwellen an den Seiten der Schallwand aufheben, aber immer noch einen Ausgang an der Vorder- und Rückseite liefern. Je nach Größe der Schallwand gibt es eine Frequenz, bei der die Wellenlänge so lang ist, dass sie die Schallwand nicht "sieht" und sich trotzdem vollständig auslöscht. Dies wird als Grenzfrequenz bezeichnet. Um diesen Cut-Off feiner als -18 dB pro Oktave zu gestalten, kann der Treiber außermittig montiert werden.

     

    Vorteile

    - Ein einfaches Gehäuse aus einem 1 Quadratmeter großen Holzbrett mit einem Loch für einen Breitbandlautsprecher wäre die einfachste Lösung, die Ihnen wahrscheinlich einen guten Klang liefert.

    - Keine Gehäuse-Resonanzen!

    - Das „Figure-8“ Abstrahlverhalten begrenzt die Interaktion mit Seitenwänden. 

    - Einfacher Einstieg

     

    Nachteile

    - Schwierig, die Ausbreitung der vorderen und hinteren Wellen zu beherrschen, die sich bei unterschiedlichen Frequenzen gegenseitig aufheben oder verstärken können.

    - Nicht alle Treiber sind für diese Anwendung geeignet. Ein Qts von 1 und höher wird empfohlen.

    - Sehr abhängig von der Platzierung des Lautsprechers, um richtig zu funktionieren

     

    Versiegelte Boxengehäuse

    Dies ist eine Variante des Konzepts der unendlichen Schallwand, bei der die hintere Welle von der vorderen Welle getrennt wird, indem sie in einem geschlossenen Gehäuse vollständig absorbiert wird. Es bietet jedoch keine unendliche Abstrahlfläche für den Treiber.

     

    Die im versiegelten Gehäuse eingeschlossene Luft wirkt wie eine Feder für den Tieftöner, der davon profitiert, in seine ursprüngliche Position zurückzukehren. Je nach Luftvolumen im Gehäuse kann dieser Effekt mehr oder weniger stark sein. Dies ist gut für das Einschwingverhalten oder die Genauigkeit des Tieftöners. Die Leistung hängt jedoch von der Verwendung des richtigen Tieftöners ab. Glücklicherweise hat Dr. Richard Small eine Richtlinie für die richtige Art von Tieftöner erstellt. Diese wird als EBP-Formel oder "Effizienz-Bandbreiten-Produkt" bezeichnet.

    Wenn das Ergebnis kleiner oder gleich 50 ist, ist der Lautsprecher für den Einsatz in einem geschlossenen Gehäuse geeignet. Dies ist keineswegs eine eiserne Regel; die meisten modernen Lautsprecher haben einen höheren EBP-Wert als 50, da sich der Einsatz von Lautsprechern in geschlossenen Gehäusen durchgesetzt hat, für die ein höherer Wert besser geeignet ist. Ein Beispiel für einen geeigneten Lautsprecher mit geschlossenem Gehäuse wäre der GRS 10PF-8 10". Dieser Lautsprecher hat ein Fs von 43 Hz und ein Qes von 1,66

     

    "typisches zeitliches Ansprechverhalten eines geschlossenen Systems"

    Vorteile

    - Vorhersehbarkeit, da die Rückschwingung des Lautsprechers vollständig im Gehäuse absorbiert wird.

    - Nachgiebigkeit: ein versiegeltes Boxenvolumen kann ohne negative Auswirkungen leicht variieren

    - Die Genauigkeit durch die Federwirkung der eingeschlossenen Luft im Gehäuse hilft dem Treiber, schneller in seine ursprüngliche Position zurückzukehren.

     

     

     

    Nachteile

    - Frühes Abklingen der Bassfrequenzen durch einen höheren Fs-Punkt

    - Hohe Auslenkung am Resonanzpunkt der Treiber (Fs)

    - Gehäuseresonanzen müssen, da die Rückwelle der Treiber vollständig eingeschlossen ist, innerhalb des Gehäuses absorbiert werden, um unerwünschte Resonanzen zu vermeiden. Dies kann durch ausreichendes akustisches Dämpfungsmaterial erreicht werden

    - Das Gehäuse muss für eine korrekte Funktion luftdicht abgeschlossen sein. Es gibt jedoch auch Varianten, die eine kontrollierte Öffnung im Gehäuse verwenden (Aperiodic Port).

     

    Reflex-Gehäuse Lautsprechergehäuse

    Diese Gehäuse verwenden eine abgestimmte Öffnung oder einen Schlitz, um eine erweiterte Basswiedergabe um den Fs-Punkt der Treiber herum zu erzeugen, was eines der häufigsten Gehäuse ist. Dieses Reflexgehäuse wird auch als Ported/Vented-Gehäuse bezeichnet.

     

    Die grundlegende Funktionsweise eines Ports ist sehr interessant. Das gängige Missverständnis ist, dass er Luft "pumpt", um mehr Bass zu erzeugen. Tatsächlich hat die Luft in der Öffnung eine bestimmte Masse, die bei der Frequenz mitschwingt, auf die sie abgestimmt ist, normalerweise der Fs-Punkt des Treibers. Diese Luftmasse in der Öffnung fungiert selbst als Treiber und beginnt an diesem Punkt, Leistung zu erzeugen. Dies wird auch als Helmholtz-Resonator bezeichnet. Dieser Ausgang ist jedoch sehr spezifisch und tritt nur in der Nähe der Frequenz auf, auf die er abgestimmt ist. Dieser Resonanzeffekt dämpft auch die Membranbewegung des Lautsprechers bei der abgestimmten Frequenz bis zu einem Punkt, an dem er fast bewegungslos wird. Dies kann durch den Impedanzgang sichtbar werden, der eine ausgeprägte Doppelhöckerform aufweist. Während er in den meisten Fällen den Bassbereich erweitert, kann er bei einer höheren Abstimmfrequenz auch einen "Boombox"-Effekt erzeugen, der die tieferen Bassfrequenzen akzentuiert.

     

     

    1.1: Typische Bassreflex-Gehäusewiedergabe dieses Beispiels stammt aus dem SEAS Bitfrost Bausatz, basierend auf dem SEAS Excel W18NX001 Woofer. Die schwarze Linie ist die Gesamtleistung des Systems, die blau gestrichelte Linie ist die Leistung des Tieftöners, und die rot gestrichelte Linie zeigt die Leistung des Ports.

     

    1.2: Dies ist eine spektrale Abklingkurve, die die Auswirkungen eines Bassreflex-Designs zeigt. Dies wird auch als "Zeitstrafe" bezeichnet. Die Resonanzen, die zur Erzeugung der Basserweiterung verwendet werden, bauen sich nicht sofort ab. Dadurch wird die Basswiedergabe des Treibers im Zeitbereich verzerrt.

     

    Vorteile

    - Basserweiterung am und knapp unter dem Fs-Punkt der Lautsprecher

    - Gut verständlich, da es für die meisten Lautsprecherentwickler das Gehäuse der Wahl ist.

    - Nachgiebig, das Innenvolumen des Gehäuses kann ein wenig variieren, ohne negative Auswirkungen

    - Reduzierte Verzerrungen am Fs-Punkt der Lautsprecher durch Begrenzung der Bewegung an diesem Punkt.

     

    Nachteile

    - Der Zeitverlust (1.2)

    - Interne Reflexionen mittlerer Frequenzen können durch den Port austreten und unerwünschtes Rauschen verursachen.

    - Portturbulenzen/Rauschen werden durch einen unterdimensionierten Port verursacht

    - Bietet dem Tieftöner unterhalb seiner Abstimmfrequenz keinen Widerstand. Dies kann zu Überhöhungen bei tieferen Frequenzen führen.

     

    Übertragungsleitungs-Gehäuse

    In den meisten Fällen wird bei diesem Gehäuse, das auch als akustisches Labyrinth bezeichnet wird, ein gedämpftes Viertelwellenlängenrohr verwendet, um die Basswiedergabe eines Systems zu verstärken. (Beachten Sie, dass in diesem Blog eine gängige und praktische Definition einer Übertragungsleitung verwendet wird.)

     

     

    Die Theorie dahinter setzt ein unendliches Rohr voraus, um dem Treiber bei jeder Frequenz den richtigen Widerstand zu bieten. Leider ist die Unendlichkeit kein praktisches Designkriterium. Es gibt auch andere Implementierungen wie z.B. eine abgedichtete viertel-lange Übertragungsleitung.

    Bei dieser Implementierung wird die Rückwelle durch die Leitung geführt. Dadurch wird sie verzögert, und diese Verzögerung verschiebt die Phase auf 90° Grad. Dies hat den Effekt, dass die Rückwelle wieder in Phase mit dem vorderen Signal ist und zum Ausgangssignal addiert, anstatt davon zu subtrahieren. Die Länge der Leitung lässt sich leicht mit der folgenden Formel berechnen:

     

    F = Abstimmfrequenz, der Fs-Punkt des Treibers wird üblicherweise verwendet

    344 = ist die Schallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde, gemessen in trockener Luft bei 20°C.

    ƛ = die Länge der Leitung in Metern.

     

    Während dies eine grundlegende Berechnung ist, beeinflusst die Dämpfung der Leitung auch die Schallgeschwindigkeit innerhalb der Leitung. Dadurch könnte die Schallgeschwindigkeit innerhalb der Leitung theoretisch auf 50 % verlangsamt werden. Realistischer ist jedoch, dass dieser Effekt bei einer mittelstark gedämpften Leitung etwa 35 % beträgt, wodurch die Leitung effektiv kürzer sein kann.

    Ein "Übertrager" hat auch spezielle Anforderungen an den Treiber, da er mit einer Luftmasse gekoppelt ist, die sein f3 senkt und keinen Treiber mit hoher Nachgiebigkeit benötigt. Es benötigt jedoch eine steife Membran, um diese Luftsäule zu kontrollieren, ohne sich bei höheren Lautstärken zu verformen; dies würde zu Verzerrungen führen. Ein Beispiel für einen Lautsprecher, der mit einer Transmissionline verwendet werden kann, ist der SEAS Prestige L16RNX - H1488-04.

     

     

     

    Vorteile

    - Weniger Verzerrungen im Bass-/Mitteltonbereich, da diese Implementierung die meisten hohen, mittleren und oberen Bassfrequenzen innerhalb der Leitung bedämpft und so Reflexionen und Resonanzen reduziert.

    - Beeindruckende Basswiedergabe bei korrekter Implementierung auch bei niedrigeren Lautstärken

    - Geringere Membranauslenkungen bei der Abstimmfrequenz, was zu noch weniger Verzerrungen führt.

     

     

    Nachteile

    - Schwierig abzustimmen, da viele Variablen beteiligt sind.

    - Sehr unnachgiebig: das Gehäuse muss genau zum Treiber passen, sonst kann es zu sehr schlechten Ergebnissen führen.

    - Endlose Forumsdiskussionen

    - Viele Varianten wie z.B. ein konischer, massebelasteter geschlossener ect. (dies kann ein Vorteil sein, aber für den Anfang kann dies sehr verwirrend sein)

     

    Wir hoffen, dass dieser Blog Ihnen einen etwas besseren Einblick in die verschiedenen Gehäusetypen gegeben hat. Es war schwierig, die Informationen über diese Gehäuse zu komprimieren, denn die Balance zwischen Tiefe und Zugänglichkeit ist eine heikle Sache. Dies könnte dazu führen, dass jedes Gehäuse einen eigenen Blog zum Thema Design und Tuning bekommt, einschließlich der Mathematik! In der Zwischenzeit würde ich jedoch empfehlen, eine Software wie WinISD zu verwenden, um Ihre geschlossenen und offenen Lautsprecher zu entwerfen.

     

    Literaturverzeichnis

    Alden, R. (2017). Speaker Building 201 (1ste ed.). Audio Amateur, Incorporated.

    Newell, P., & Holland, K. (2018). Loudspeakers. Taylor & Francis.

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