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Aus alt macht neu!

Im 1. Tei des Artikels wurde die MORDAUNT SHORT MS-908 als Fertigbox analysiert. Es sollte herausgefunden werden, ob sich eine Überarbeitung der Frequenzweiche lohnt. Diese Frage konnte nach einer 40-minütigen Messaktion (und deren gewissenhafter Auswertung) positiv beantwortet werden.

 

Messung der Chassis im Podest

Daraufhin wurde eine Box "zerlegt" und die Chassis einzeln im Messpodest vermessen (s. So werden Lautsprecherchassis von HiFi-Selbstbau gemessen).

 

Der Bass

Ausgebaut macht der Bass eine recht gute Figur:

Mit seiner breiten Sicke und der festen Membran sieht er so aus, als wenn er auch mal kräftig zulangen könnte.

-> selbst bei +6 dB verzappelt die Messung nicht, das ist ein deutliches Zeichen für Großsignalfestigkeit
-> die Resonanzfrequenz sinkt bei höheren Pegeln - wie üblich
-> relativ hohe Schwingspuleninduktivität
-> erst bei 2.2 kHz ist eine Membranresonanz erkennbar

-> relativ hohe Gesamtgüte

-> bis 1 kHz fast perfekt!
-> Wirkungsgrad ca. 90 dB/2.83V/m bzw. 87 dB/2V/m (4 Ohm Chassis) -> wegen großer Membranmasse trotz großem Magneten relativ gering

-> verzögertes Ausschwingen bei 800 und um 2200 Hz

-> von 40 bis 200 Hz relativ geringer Klirrfaktor
-> K3-Klirrspitze bei 750 Hz (= 1/3 der Membranresonanz bei 2.2 kHz)

Die TSPs (s.u.) legen wegen der relativ hohen Gesamtgüte eine Verwendung im geschlossenen Gehäuse nahe, ggf. sogar mit Hochpass-Kondensator zur Reduktion der unteren Grenzfrequenz.

 

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Der Mitteltöner

Ausgebaut sieht der Mitteltöner irgendwie "nackt" aus:

Die inverse Aluminiumkalotte ist mit einem Kunststoffkonus mit dem Schwingspulenträger verbunden.

-> selbst bei +6 dB verzappelt die Messung nicht, das ist ein deutliches Zeichen für Großsignalfestigkeit
-> relativ hohe Schwingspuleninduktivität
-> bei 2.4 und 4.5 kHz sind Membranresonanzen erkennbar

-> moderate Resonanzfrequenz und Gesamtgüte

-> bis 2 kHz fast perfekt!
-> Resonanz bei 2400 und 4800 Hz

-> langes Ausschwingen bei Resonanzfrequenz von 4800 Hz

-> ab 125 Hz relativ geringer Klirrfaktor
-> relativ hoher K3 > 500 Hz mit Klirrspitze bei 1.6 kHz

 

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Der Hochtöner

Viel Luft um wenig Lautsprecher:

 

-> fast keine Resonanzüberhöhung erkennbar

-> geringe elektrische Bedämpfung

-> Frontblende wirkt als Waveguide
-> sehr gleichmäßiges Rundstrahlverhalten
-> Resonanz > 20 kHz angedeutet

-> verzögertes Ausschwingen um die Resonanzfrequenz
-> angedeutete Resonanz > 20 kHz

-> ab 3 kHz geringer K3
-> bei 95 dB geht K3 < 3 kHz zurück, dafür "explodieren" höhere Klirrkomponenten

 

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Tabelle der Thiele-Small-Parameter:

 

TS-Parameter	Bass	MT	HT
Membranfläche Resonanzfrequenz Fs DC-Widerstand Rdc Mechanische Güte Qms Elektrische Güte Qes Gesamtgüte Qts Effektive bewegte Masse Mms Äquiv. Luftvolumen Vas Kraftfaktor BL Wirkungsgrad Eta (1m, 2.83V, Halbraum)	339.8 cm² 37.49 Hz 3.87 Ohm 3.483 0.736 0.608 65.38 gr 45.09 dm³ 9.00 N/A 90.15 dB	93.3 cm² 66.33 Hz (+/-1.4%) 6.24 Ohm (+/-0.1%) 3.646 (+/-3.6%) 0.715 (+/-0.4%) 0.598 (+/-0.2%) 10.71 gr (+/-3.2%) 6.64 dm³ (+/-0.4%) 6.24 N/A (+/-0.7%) 87.32 dB (+/-0.22)	5.3 cm² 2267 Hz 3.61 Ohm 0.494 3.708 0.436 90.39 dB

 

 

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Simulation des Ist-Zustandes

Mit diesen Daten wurde ein Boxsim-Modell erstellt. Dabei wurde zunächst das originale Gehäuse mit der originalen Weiche simuliert:

Vergleich der Ergebnisse Messung/Simulation:

-> na, wenn das bei der Impedanz keine Punktlandung ist . . .

-> auch hier deutliche Parallelen trotz kritischer Nahfeldmessung

-> der Gesamtfrequenzgang stimmt für eine Messhöhe von 80 cm relativ gut überein, bei anderen Messhöhen passt das nicht so gut (s. Kasten)

 

Besonderheiten der Simulation mit Boxsim Boxsim simuliert die Überlagerung der Chassis im Unendlichen und skaliert den Pegel dann auf einen Abstand von 1m. Es gibt daher keinen realen Punkt, an dem man dieses Ergebnis nachmessen könnte, selbst wenn das Modell perfekt wäre! Dies würde nur dann gehen, wenn man im Gehäuse an einem gemeinsamen Messpunkt gemessene Schalldruckpegel verwenden würde. Diese wären dann aber auch nur in genau diesem Gehäuse an genau diesem Messpunkt gültig. Dadurch schränkt man die tollen Simulationsmöglichkeiten von Boxsim (Änderung der Schallwand und der Chassisposition etc.) aber stark ein, weswegen dieser Ansatz im Allgemeinen nicht verfolgt wird. Durch den - im Vergleich zum Unendlichen - relativ geringen Messabstand von 1 m sind die Abstände der 3 Chassis anders als Boxsim das annimmt, außerdem strahlen die Einzelchassis dort nicht unter 0° sondern z.B. +/- 5° ab. Dies führt zu der anderen Überlagerung zwischen Mittel- und Hochtöner. Bei den Messungen sieht man, dass sich der Schalldruckpegel im Übernahmebereich bei einer Höhenänderung um +/- 10 cm (= +/- 6° in 1m Abstand) deutlich ändert. Boxsim simuliert aber "nur" alle 30° horizontal und vertikal (also an insgesamt 144 Punkten) um einen räumlich gemittelten Energiefrequenzgang zu berechnen. Auch in diesem Punkt muss man also die Ergebnisse mit Vorsicht interpretieren. Die Überlagerung im Bassbereich konnte wegen der Bodenreflexion nicht gemessen werden. In diesem Frequenzbereich sind die oben genannten Einschränkungen aber weniger kritisch. Außerdem ist in diesem Frequenzbereich der Einfluß des Abhörraumes bereits sehr stark.

 

-> auch hier deutliche Parallelen trotz Freifeldmessung (offenes Gehäuse)
-> die anderen Spannungen konnten nicht so einfach gemessen werden, da die Chassis nicht zugänglich waren

Damit ist das Boxsim-Modell des Originalzustandes durch die Messung des Originalzustandes weitgehend bestätigt. Na, dann kann es ja mit dem Simulieren der "verbesserten" Weiche losgehen . . .

 

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Simulation des Soll-Zustandes

Die "verbesserte" Frequenzweiche sollte vor allem den Übergang zwischen Mittel- und Hochtöner optimieren. Dazu ist auf jeden Fall eine steilere Trennung nötig um die Breite des Übernahmebereiches zu reduzieren. Die Resonanzfrequenz der Mitteltöner muss ggf. mit einem Saugkreis entschärft werden.

Bevor man jedoch an der Baustelle anfängt muss zunächst der Übergang zwischen Bass- und Mittelton überarbeitet werden. Dadurch ändert sich nämlich ggf. das Pegelniveau der Mitteltöner. Die zu Grunde liegende Idee war, dass durch eine höhere Trennfrequenz die Rückwirkung der Frequenzweiche mit dem Bass reduziert werden kann. Außerdem wird dadurch die Größe der Spule vor dem Bass reduziert, so dass hier - auch ohne massiven Materialeinsatz - ein geringerer Innenwiderstand realisiert werden kann, was die Gesamtgüte des Basschassis reduziert. Apropos Bass: der wurde "virtuell" in ein komplett geschlossenes Gehäuse eingebaut. Das kann durch Verschließen des Bassreflex-"Röhrchens" einfach realisiert werden. Nach einigem Probieren wurde eine Trennfrequenz von knapp 200 Hz gewählt. Hier muss der Impedanzverlauf der Mitteltöner bei der Einbauresonanz noch nicht entzerrt werden (-> man spart 3 Bauteile) und die Rückwirkung der Weichenteile im Bass ist noch nicht so groß, dass auch hier die Einbauresonanz entzerrt werden müsste (-> man spart noch mal 3 Bauteile). Schließlich dürfte es bei 200 Hz auch noch kein Problem mit der seitlichen Abstrahlung geben.

Im Mitteltonbereich wurde ein Saugkreis "spendiert", der die Membranresonanz der Metallmembranen zumindest amplitudenmäßig entschärft. Das Klirrfaktormaximum von K3 bei 1600 Hz kann man damit allerdings nicht positiv beeinflussen: der Klirrfaktor wird zwar durch die Membranresonanz verstärkt aber durch die Frequenz von 1600 Hz angeregt. Solange man nichts an der Anregung ändert verändert sich auch der Klirrfaktor nicht. Dazu müsste man tatsächlich die Verstärkungsfunktion des Chassis durch konstruktive Maßnahmen ändern . . .

Bei der Trennfrequenz zwischen Mittel- und Hochtöner gab es nicht viel Spielraum: unter 3 kHz steigt der Klirrfaktor des Hochtöners an, oberhalb von 2 kHz wird das Rundstrahlverhalten der Mitteltöner zunehmend kritisch. Die Lösung liegt mit ca. 2.5 kHz ziemlich in der Mitte.

Insgesamt war das Ziel, mit möglichst wenigen Bauteilen auszukommen. So erfolgen alle Trennungen "im Prinzip" mit einer elektrischen Filtersteilheit von "nur" 12 dB/Oktave. Lediglich der Tiefpass des Mitteltöners kriegt eine "Extrawurst" . . .

Und hier nun das Schaltbild der überarbeiteten Weiche:

-> alleine die Mitteltöner benötigen 8 der insgesamt 13 Bauteile. Diese Weiche wird wohl nicht mehr auf die alte Platine passen ;-)

Damit ergibt sich folgender Frequenzgang:

-> die Impedanz sinkt bei 90 Hz auf 3 Ohm ab
-> die Membranresonanz der Mitteltöner ist nicht mehr zu erkennen
-> unterhalb von 60 Hz ist nicht mehr viel los; dafür wäre ein größeres Gehäuse nötig
-> relativ linearer Frequenzgang auf Achse, aber Überhöhung von 1.2 bis 2.5 kHz -> warum?
-> der Energiefrequenzgang fällt kontinuierlich ab, hat aber zwischen 900 und 2.3 kHz wegen der Auslöschung der beiden Mitteltöner eine Senke

Und hier der Spannungsverlauf an den Chassis:

-> sehr schön ist die Wirkung des Saugkreises beim Mitteltöner zu erkennen
-> die Grunddämpfung des Basses sinkt von 3 dB auf nur 1 dB (geringerer Innenwiderstand der Spule)
-> beim Bass gibt es nach wie vor eine Überhöhung von 3 dB bei 80 Hz. Durch Einsatz eines Sperrkreises aus 12 mH / 680 uF / 4.7 - 22 Ohm kann dieser Bereich feinfühlig reguliert werden (wenn dort z.B. eine Raumresonanz angeregt wird)

Noch ein Wort zum Spannungsverlauf. Warum diese so wichtige Darstellung bei keinem anderen Selbstbaumagazin gezeigt wird bleibt mir immer unverständlich. Eine schnelle Nachmessung des Spannungsverlaufes direkt NACH Fertigstellung der Weiche und VOR der ersten Inbetriebnahme zeigt sofort, ob - und WO !!! - man sich beim Zusammenlöten der Bauteile vertan hat. Eine Impedanzmessung leistet zwar eine ähnliche Hilfe, hier ist aber nicht klar, in welchem Zweig der Fehler zu suchen ist.

Genug aufgeregt. Verpolt man die Mitteltöner so zeigt die Auslöschung an, wo es "vorher" konstruktive Überlagerung gab:

• zwischen Mittel- und Hochtöner gibt es auf Achse einen schmalen, sehr starken Einbruch - vorher war die Überlagerung also 100%ig konstruktiv; der Einbruch im Energiefrequenzgang sieht weniger dramatisch aus und liegt ca. 200 Hz tiefer
• zwischen Bass- und Mitteltöner gibt es auf Achse einen breiteren, milden Einbruch - vorher war die Überlagerung also nicht 100%ig konstruktiv; der Einbruch im Energiefrequenzgang ist ebenso breit, mit 4.5 dB allerdings nahe am theoretischen Maximum von 6 dB; da in diesem Frequenzbereich Reflexionen an den Wänden sehr wichtig sind ist der Einfluss auf den Energiefrequenzgang bedeutender.

Tja, warum bauen die da eine Überhöhung auf Achse ein? Das ist doch Ober-PFUI. Wir haben hier mehr auf den Energiefrequenzgang geachtet, da bereits beim Vergleich Messung / Simulation des Originalzustandes dieser Bereich nicht richtig wiedergegeben wurde. Hier war die Simulation auf Achse lauter als die Messung (die Hintergründe sind im roten Kasten weiter oben angeführt). Letzte Gewissheit kann nur eine subjektive Beurteilung am lebenden Objekt geben. Überhaupt sehen wir eine Boxsim-Simulation "nur" als bestmöglichen Startpunkt für ein weiterführendes subjektives Feintuning. Nicht mehr, aber auch nicht weniger . . .

 

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Feintuning

Beim subjektiven Feintuning wurden dann noch einige Kleinigkeiten geändert. So erschien der Hochtöner doch etwas zu zurückhaltend, so dass er seines Vorwiderstandes beraubt wurde. Die Überhöhung des Mitteltöners auf Achse war wohl auch etwas zu viel des Guten: durch geringfügige Erhöhung des Vorwiderstandes und der Spule in Serie konnte dieser Bereich etwas entschärft werden.

Je nach Aufstellung im Raum ist der Bass um 80 Hz etwas vorlaut. Durch eine Impedanzentzerrung im Bassbereich kann die Interaktion zwischen Weiche und Chassis reduziert werden. Dadurch geht der Pegel von 80 bis 110 Hz um etwa 2 dB zurück und das Impedanzminimum bei 90 Hz wird um 0.5 Ohm entschärft (durchgezogen - mit EQ, gestrichelt - ohne EQ):

In unserem Hörraum in 1.5m Abstand sieht das dann so aus (Vergleich Original und Neu in diversen Zuständen):

-> Grundtoneinbruch bei 300 Hz behoben
-> ca. 3 dB mehr Pegel von 2.5 bis 10 kHz
-> durch beide Maßnahmen ist der Bass weniger dominant

Durch die feste Mikrofonposition gibt es lokale Auslöschungen und Überhöhungen. Diese können durch "Wedeln" des Mikrofons um +/- 20 cm in der Höhe und Breite (= räumliche Mittelwertbildung) reduziert werden:

-> ab 300 Hz fast konstanter Abfall von 3 dB/Dekade mit geringen Abweichungen

Die endgültige Weiche (mit Impedanz-EQ im Bass) sieht dann so aus:

Die Frequenzweichenbauteile kosten in Standardqualität ca. 115 € bzw. 140 € (*, mit optionalem Impedanz-EQ im Bass):

 

Anzahl	Bezeichung	Kürzel	Artikelnr. (IT)	Wert	Info
2	Ferrobar 1.4mm	DR56/4.7/140	1340838	4.70 mH	0.23 Ohm
2	Luftspule 1.0mm	LU55/1.5/100	1340030	1.50 mH	0.73 Ohm
2	Luftspule 1.0mm	LU55/082/100	1340024	0.82 mH	0.52 Ohm
2	Luftspule 0.71mm	LU32/022/071	1340225	0.22 mH	0.39 Ohm
2	Luftspule 0.71mm	LU32/027/071	1340230	0.27 mH	0.43 Ohm
2	Elko Rauh	ERA/150/63/1	1341087	150 uF	63 Volt
2	Elko Glatt	EGL/82/35/5	1341083	82 uF	35 Volt
2	Elko Glatt	EGL/68/35/5	1341080	68 uF	35 Volt
2	Elko Glatt	EGL/22/50/5	1341065	22 uF	50 Volt
2	Elko Glatt	EGL/4.7/50/5	1341040	4.7 uF	50 Volt
2	Folie MKP (R)	MKPR/5,60/250	1500735	5.6 uF	250 Volt
2	Draht-R 10W	WAX10/1.50/5	1342330	1.5 Ohm	10 Watt
2	Draht-R 5W	WAX5/3.30/5	1342150	3.3 Ohm	5 Watt
2*	Entzerrer-Spulen	CO44/120/050	1340978	12.0 mH	3.87 Ohm
2*	Elko Rauh	ERA/680/63	1341088	680 uF	63 Volt
2*	Draht-R 20W	WAX20/6.80/5	1342560	6.8 Ohm	20 Watt

 

Schließlich haben wir noch etwas mit der Polung im Bassbereich experimentiert. Laut Boxsim sollten die Mittel- und Hochtöner gegenüber dem Bass verpolt sein. Da in dem Bereich jedoch der Raum ein gewichtiges Wort mitspricht (was Boxsim nicht im Detail berücksichtigen kann) haben wir einfach mal alle Chassis gleich gepolt. Und siehe da: es tat sich etwas! Der Bass wurde etwas besser ins musikalische Geschehen integriert und "hinkte" nicht mehr so nach. Neben der Position und Ausrichtung (Seitenbass) im Raum kann man die Boxen mit der Impedanzentzerrung und der Polung im Bassbereich in Maßen an die Raumakustik anpassen.

 

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Verbesserungsmöglichkeiten

Nach dem Hördurchgang war klar: der Bassbereich ist immer noch das "Sorgenkind" der Kombination. Das Gehäuse ist einfach zu klein für einen Bass mit diesen TSPs. Wir haben daher noch etwas mit AJHorn herumgespielt um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie man den Tiefgang der Kombination noch verbessern kann. Das ist zwar prinzipiell auch in Boxsim möglich, AJHorn zeigt jedoch auch die Auslenkung des Chassis über der Frequenz. Die Varianten wurden jeweils mit und ohne die gefundene Weiche (mit/ohne Impedanz-EQ im Bassbereich) berechnet:

V=34dm³, geschlossen: schwarz - direkt, rot - mit 1200 uF

V=34dm³, geschlossen: schwarz - mit Weiche, rot - dito + 1200 uF

V=34dm³, geschlossen: schwarz - mit Weiche + EQ, rot - dito + 1200 uF
-> was ohne Weiche noch prima funktioniert (Vorkondensator 1200 uF) bringt mit Weiche (und EQ) nicht mehr so viel . . .

Wie wäre es denn mit einem größeren Gehäuse? Funktioniert dann ggf. eine Bassreflexkombination?

V=68dm³, ohne Weiche: schwarz - geschlossen, rot - Bassreflex mit Fb = 35 Hz

V=68dm³, mit Weiche: schwarz - geschlossen, rot - Bassreflex mit Fb = 35 Hz
-> was ohne Weiche noch schlecht aussieht läuft mit Weiche zur Höchstform auf . . .

Mehr Tiefgang im originalen Gehäuse lässt sich nur mit einer Aktivierung erzielen. Bei Einsatz eines preiswerten Aktivmoduls (z.B. MIVOC AM80 für 79 €) entfällt die Überhöhung bei 80 Hz durch die Interaktion mit der Frequenzweiche und bei 38 Hz gibt es noch eine fest eingebaute Bassanhebung von 3 dB. Wenn man bedenkt, dass dadurch alleine 40 bzw. 65 € (mit EQ) Weichenbauteile entfallen ist diese Lösung gar nicht so teuer. Man braucht nur noch eine Steckdose in der Nähe der Boxen . . .

 

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Fazit

"Es gibt nichts, was man nicht noch verbessern könnte". Das gilt häufig auch für preiswerte Fertigboxen. Dort muss zum einen kräftig gespart werden, zum anderen muss man sich durch spezielle "Philosophien" von der übrigen Meute absetzen, was dem Klang nicht immer zuträglich ist. Und schön aussehen soll sie auch noch.

Gerade im Bassbereich ergibt sich durch die für den Hersteller nicht vorhersehbare Interaktion mit dem in der Regel nicht perfekten Hörraum des Käufers ein weites Feld an Modifikationsmöglichkeiten. Das fängt beim "Verrücken" der Boxen und Verstopfen der Bassreflexöffnung an und hört bei der nachträglichen Aktivierung auf.

Wer sogar Hand an die Frequenzweiche legt, dem eröffnet sich ein weites Feld an Modifikationsmöglichkeiten - nicht nur im Bassbereich. Damit ist nicht das bloße Austauschen von scheinbar "billigen" Weichenbauteilen durch vermeintlich "bessere" gemeint sondern eine Änderung der Flankensteilheit und/oder Trennfrequenz um z.B. die Richtwirkung im Übernahmebereich zu verändern.

Unser Kunde war jedenfalls sehr zufrieden. Die modifizierte Box mit gesteckter Frequenzweiche konnte die direkt daneben stehende, "originale" Variante in unserem Hörraum klar distanzieren. Im eigenen Hörraum entscheidet sich dann, ob die Impedanzentzerrung im Bassbereich deaktiviert oder ob der Bass verpolt wird. Wenn alle Stricke reißen wird auch noch mal über eine nachträgliche Aktivierung nachgedacht. Das ist eben der Vorteil des Selbstbaus. Dagegen sind die "nur-Kabeltuner" arm dran . . .