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Duo á la Grimm...

Duo a la Grimm

...der Versuch eines Nachbaus mit DIY-Mitteln

Einer unserer Abonnenten hatte sich ein großes Ziel gesetzt: ihm gefiel der Gedanke einen am Markt etablierten Lautsprecher möglichst detailgetreu nachzubauen. Soweit nicht dramatisch.

Speziell wurde die Sache dadurch, dass der Lautsprecher ein DSP gesteuertes System ist, Grimm-Audio eine Menge Entwicklung in den Lautsprecher investiert hat und es daher nicht trivial ist "mal eben" eine solch ausgeklügelte Entwicklung technisch und vom Design her nachzuempfinden. Aber als Selbstbauer hat man Zeit und eine Menge Leute, die man fragen kann. Wenn man dazu noch selber einiges an Wissen einbringt kann ein solches Vorhaben klappen.

Unser Abonnent Yogibär hat hier mit viel Akribie und Ausdauer ein beachtliches Projekt auf die Beine gestellt und er bat uns seine Dokumentation in unsere Linksammlung aufzunehmen. Wir finden, diese Arbeit ist viel zu schade als dass sie in einer Linksammlung verschwindet und veröffentlichen den Text daher gerne an prominenterer Stelle.

Vielen Dank an Yogibär

  

 

 

 1. Motivation


Inspiriert durch das ungewöhnliche Design und neugierig geworden durch die überaus positive Berichterstattung hat der Verfasser sich entschlossen, den Grimm LS1 nachzubauen.
An Unterlagen standen das Whitepaper der Entwickler und der Artikel in der Audio 5/13 zur Verfügung. Da nur der Tiefmitteltöner und der Hochtöner dem Original LS1 entsprechen, kann man nicht von einem echten Nachbau sprechen, sondern nur von dem Versuch, ein ungewöhnliches Konzept ausschließlich mit DIY-Mitteln zu verwirklichen. Auch die Elektronik entspricht nicht dem Original und wird auch nicht in die Lautsprecher integriert. Sie stellt eine separate Einheit dar, deren Komponenten jederzeit ausgetauscht werden können und somit Raum für Optimierungen und Experimente bieten.
Zu keinem Zeitpunkt war beabsichtigt, mit diesem Lautsprecher dem Original Wettbewerb zu machen bzw. sich mit dem Original messen zu wollen. Dennoch steht die Qualität dieses Lautsprechers wie erwartet außer Frage.

 

2. Konzeptioneller Aufbau und Auswahl der Chassis


Größe, Aussehen und Aufbau entsprechen dem Original, wobei die Abmessungen anhand der Fotos aus der Audio bestimmt wurden und daher leicht vom Original abweichen.
Im Gegensatz zum Original wird der Nachbau ausschließlich als 3-Wege Box betrieben, d.h. der abgesetzte Subwoofer ist Bestandteil des Konzepts. Aus diesem Grunde kommt nur die hohe Variante mit H = 1.450 mm in Betracht.
Die Ausführungen der Entwickler, Bruno Putzeys und Eelco Grimm, in ihrem Whitepaper haben mich bewogen, die gleichen Chassis für den TMT und den HT wie beim Original zu wählen.

Es kommt daher
- der SEAS EXCEL W22EX001 als Tiefmitteltöner und
- der SEAS Prestige. 27TBCD/GB-DXT als Hochtöner
zum Einsatz.

Die Bündelung des ,,eigentlich zu großen'' Tiefmitteltöners passt sehr gut zum Abstrahlverhalten der DXT Kalotte und ermöglicht dadurch ein homogenes Rundstrahlverhalten, was mit Hochtönern ohne Waveguide so nicht möglich wäre.
Den Original-Subwoofer mit 10" Chassis in ca. 22 l halte ich für etwas unterdimensioniert und habe mich deshalb für einen 12“ entschieden.
Da der Platz und damit das Volumen begrenzt sind, stehen nicht allzu viele Kandidaten zur Verfügung, die in geringem geschlossenen Volumen guten Tiefbass liefern. Die Wahl fiel schließlich auf
- den Dayton TS320D-4 Titanic Mk IV

Um das Konzept und die folgenden Erläuterungen richtig einordnen zu können, hier die wesentlichen Statements des Whitepapers, frei übersetzt:

• Ein Lautsprecher kann keine exakte Wiedergabe der Aufnahme produzieren. Stereophone Wiedergabe funktioniert ohne Psychoakustik nicht.
• Es gibt kein eindeutiges richtiges Abstrahlverhalten eines Lautsprechers, nur falsches und noch falscheres.
• Das Design startet mit den Dingen, die man vermeiden sollte, und nicht damit, was man erreichen möchte.
• Ein Lautsprecher im Hörraum charakterisiert sich über sein winkelgerichtetes Abstrahlverhalten.
• Die Schallwand ist so groß zu wählen, dass der Baffle Step unterhalb von 300 Hz liegt.
• Kanten sind großzügigst abzurunden.
• Der Subwoofer sollte direkt auf dem Boden liegen.
• Steilflankige linearphasige Filter sind wegen des Pre-Ringing ungeeignet.
• Primär sollte die Entzerrung händisch vorgenommen werden, wobei man wissen sollte, wodurch die Spitze oder Senke verursacht wird und ob sie nicht besser akustisch entzerrt werden kann.
• Linkwitz- Riley Filter 4. Ordnung sind am besten geeignet, um eine saubere Phasenbeziehung im Übergangsbereich der Treiber zu erhalten.

 

3. Gehäuse

3.1 Das TMT/HT-Gehäuse

Das Gehäuse besteht aus Buche Multiplex 19 mm den Abmessungen:

4 x 520 mm x 380 mm Schall- u. Rückwand
4 x 482 mm x 120 mm rechte und linke Seitenwand
4 x 380 mm x 120 mm Boden u. Deckel

Die Innenmaße betragen 482 mm x 342 mm x 112 mm, das macht ca. 18,5 l Volumen.
Die Wände erhalten einen Sandwich Aufbau mit Bitumex/FG4 (4 mm dick) und 0,8 mm Alu-Blech, auf der Rück- und Vorderwand allerdings nicht eingefräst, sondern nur aufgeklebt.
Die Einfräsung der Seiten und Boden/Deckel ist 4 mm tief mit 20 mm Rand zu allen Klebkanten, d.h. zum Teil auch 40 mm bis zur Kante der Platte.
Die Alu-Bleche aus dem Baumarkt kann man am besten beim Klempner oder Heizungsbauer zuschneiden lassen, die haben Schlagscheren für Bleche.
Benötigt werden folgende Bleche:

4 x 440 mm x 300 mm Schall- u. Rückwand
4 x 440 mm x 80 mm rechte und linke Seitenwand
4 x 300 mm x 80 mm Boden u. Deckel

Die Fräsungen sollten 3 mm zu allen Seiten größer ausfallen, damit die Alu-Bleche später schwimmend gelagert sind und keine feste Verbindung zum Holz haben.
Nach dem Fräsen werden die Bitumex Platten auf Maß geschnitten und mit der Klebseite in die Ausfräsungen eingelegt und angedrückt.
Mit einer Heißluftpistole beginnt dann der Prozess des gleichmäßigen Aufheizens des Bitumens, indem man die Heißluftdüse mäanderförmig langsam über die gesamte Fläche führt, bis das Bitumen breiartig weich geworden ist. Dies kündigt sich an, wenn das Rautenmuster in Orangenhaut übergeht. Mit einem Schraubendreher läßt sich die Konsistenz des Bitumens gut prüfen.
Das Alu-Blech ist so auf das Bitumen zu platzieren, dass zu allen Seiten ein freier Rand zum Holz besteht.
Mit einem Holzklotz oder ähnlichem wird jetzt das Blech in das weiche Bitumen gedrückt, damit eine ganzflächige Verbindung entsteht. Diese ist in der Regel gegeben, wenn unter Druck an allen Seiten des Blechs etwas Bitumen hervorquillt.

  

Nachdem alle Seiten in Sandwich aufgebaut sind, geht es an das Verleimen des Körpers. Auf genaue Ausrichtung der Flächen zueinander ist zu achten.

Die mittige Platzierung der Chassis auf der Schallwand ist der Skizze zu entnehmen.


Fräsdaten für Fronteinbau des W22EX001:
Aussendurchmesser: 222 mm
Innnendurchmesser: 188 mm
Frästiefe: 6,5 mm
Fräsdaten für Fronteinbau des 27TBCD/GB-DXT:
Aussendurchmesser: 104 mm
Innnendurchmesser: 86 mm
Frästiefe: 7 mm

  

Der Sandwich Aufbau der Schallwand ist etwas aufwändiger. Zuerst werden 20x20x10 bzw. 25x20x10 mm Holzböckchen für die spätere Aufnahme der Einschlagmuttern auf die Rückseite der Schallwand geklebt. Dann werden die Freiflächen mit 20 mm Abstand zur Seitenwand mit Bitumex belegt. Das Bitumex darf in Stücken aufgebracht werden, nach der Erwärmung verläuft es zu einer Fläche. Die zwei Kreise für das Alu-Blech sägt man am Einfachsten mit einer Laubsäge aus. Durchmesser sind 230 mm und 130 mm. Wichtig ist, dass das Alu-Blech aus einem Stück bestehen bleibt, um die Zugkräfte durchgehend aufnehmen zu können.

Komplettiert ist das Ganze dann wie folgt aus:

Wegen der relativ großen Schall- und Rückwand habe ich die Wände miteinander verstrebt. Die Streben bestehen aus zwei 110 mm langen M8 Gewindestangen, die mittels 2-Komponentenkleber (z.B. Uhu Endfest 300) auf das Alu-Blech geklebt werden. Um die Punktlast zu verringern und damit eine bessere mechanische Kopplung zu erreichen, wird die Kraft über eine dicke Unterlegscheibe von 24 mm Durchmesser in das Blech eingeleitet.

  

Bevor die Schallwand aufgeleimt wird, ist die Dämmung einzubringen.

Der graue Bereich stellt Tyrotex N30 Noppenschaum dar, der allseits auf jede Fläche geklebt wird. Dargestellt sind hier nur die seitlichen Flächen.

Der beige Bereich ist ein akustischer Sumpf im Bereich des HT, als Material kommt hier Sonofil zum Einsatz.

Unter Zuhilfenahme der Chassis werden die Bohrungen für die Befestigung des Korbs gesetzt. D= 4,5 mm für den HT und D= 5,5 mm für den TMT. Die Böckchen werden mit einem jeweils 1 mm stärkeren Bohrer aufgebohrt, damit die Einschlagmuttern zwar fest sitzen, aber nicht das Holz sprengen. Wie bereits gesagt sind Rückwand und Seitenwände sowie der untere Teil der Schallwand mit Tyrotec ausgekleidet, auf der Rückwand mit den Pyramidenspitzen zur Wand, um mehr Material im Raum zu haben. Im unteren Teil des Gehäuses blieb nur noch wenig Luft. Hier habe ich eine halbe Matte Sonofil einmal gefaltet eingebaut.

Das Aufleimen der Schallwand gestaltet sich etwas kniffelig wegen der Verstrebungen. Hier ist es notwendig, zuerst im Bereich der Strebe das Tyrotec auf der Rückwand zu entfernen, um später mit der Hand und einem Maulschlüssel an die Mutter heranzukommen. Dann wird die dicke Scheibe ungefähr platziert und die Schallwand aufgelegt und zum Gehäuse ausgerichtet. Dabei muß die Scheibe gegebenenfalls korrigiert werden, damit die Gewindestange nicht darauf drückt. Nach dem vorsichtigen Hochnehmen der Schallwand sollte die Lage der Scheiben mit einem Stift markiert werden. Nun in folgender Reihenfolge kleben: die 2 Scheiben mit 2-Komponentenkleber auf die Aluschicht der Rückwand kleben, dann die Spitze der Gewindestange bei ca 10 mm zurückgeschraubter Mutter mit dem gleichen Kleber reichlich bestreichen. Zuletzt auf die Kanten des Gehäuses rundum eine dicke Raupe Ponal legen.
Nun die Schallwand bereits möglichst genau auflegen und kontrollieren, dass die Gewindestange mit der Bohrung der Scheiben fluchtet, ansonsten die Lage der Scheibe korrigieren. Dann erst alle Leimzwingen setzen und ständig kontrollieren, daß die Schallwand nicht „wegschwimmt“. Danach erst per Hand und dann mit einem 13er Maulschlüssel die Muttern herunterdrehen, bis ein spürbarer Widerstand auftritt.

Nach dem Trocknen wird das Gehäuse erst mit 60er Papier grob geschliffen und dann mit 180er Papier fein geschliffen. Mit einem feuchten Lappen die geschliffenen Flächen (nur Rück- und Schallwand und oberer Deckel) abwischen und nach dem Trocknen die aufgerichteten Holzfasern erneut abschleifen.
Ich behalte das natürliche Aussehen des Buche Multiplex bei und habe die später sichtbaren Flächen zweimal mit Osmo Hartwachs Öl behandelt, d.h. mit einem zum Ballen zusammengefalteten Stoff (alte Unterhemden eignen sich sehr gut) das Öl aufgetragen und gut eingerieben. Nach jeder Trocknung wurden die letzten "Pickel" mit einem Ballen Stahlwolle wegpoliert. Das Absaugen der abgebrochenen Stahlwollefasern ist zwingend erforderlich, da ansonsten die Magneten der Chassis diese anziehen und sie eventuell in den Spaltspalt gelangen.
Damit sind die MT/HT-Gehäuse vorerst fertig und die Montage der Chassis folgt. Schwarze Imbus-Schrauben der Größe M4 x 40 mm für den HT und M5 x 40 mm für den TMT sind optisch und technisch die beste Wahl. Nach ca. 6 Monaten sollten die Schrauben spätestens nachgezogen werden, dass sie sich bzw. das Holz setzen.
Der Anschluß der Chassis erfolgt über 4 mm Einpressbuchsen, die links bzw. rechts unten seitlich am Gehäuse sitzen. Die interne Verdrahtung 2 x 1,5 mm² für den HT , 2 x 2 x 1,5 mm² für den TMT.

  

 

3.2 Das Ständerwerk

Die Maße zur Ständerkonstruktion:

Stützenbretter: 4 x 1415 mm x 150 mm x 16 mm Buche Multiplex
Leisten: 4 x 1399 mm x 50 mm x 20 mm
Querstreben: 2 x 380 mm x 150 mm x 16 mm Buche Multiplex
Abschlusskappen: 4 x Halbkreise mit Durchmesser D = 150 mm, 16 mm Buche Multiplex
Halbzylinder: 2 x 2.000 mm PVC-Rohr DN150
Bodenplatte : 2 x 540 mm x 540 mm x 19 mm Buche Multiplex.

Eine simple und preiswerte Lösung für den halbrunden Ständer ist die Nutzung eines DN150 Abflussrohres. Dieses gibt es in 2 m Länge.

Die Halbzylinder habe ich mit einer Handsäge aus dem Vollrohr geschnitten. Zum Anzeichnen der Schnittlinien eignet sich ein Stahlbandmaß recht gut. Die 2. Schnittlinie nach 180° läßt sich am einfachsten bestimmen, indem man Tesafilm um das Rohr klebt und den Umfang genau markiert. Nach dem Abziehen ist dann die Mitte zwischen beiden Markierungen auszumessen und zu markieren. Der Umfang beträgt = 502 mm, Mitte also bei 251 mm. Nach dem Wiederaufkleben des Tesastreifens an beiden Enden des Rohrs hat man die Anreißpunkte für die Schnittlinie. Da das Rohr unter internen Spannungen steht, muß der Schnittspalt mit Hilfe eines Schraubendrehers leicht geweitet werden. Dann läuft die Handsäge leicht und folgt dem Strich. Anschließend werden die Halbrohre auf 1.431 mm und 380 mm abgelängt.
Nach dem Bearbeiten der Schnittkanten mit Feile und Schleifpapier erfolgt die Lackierung der Halbzylinder am besten bei einem Kfz-Lackierer.
Für die untere Abrundung des Gehäuses wird das 380 mm lange Halbrohr über die Querstrebe mit 6° Gehrung zur Anpassung an den Kreisbogen geschoben und mit dem Brett verleimt, das nachträglich mit dem Gehäuse verleimt wird.

Der Hohlraum wird vorsichtig mit Montageschaum ausgeschäumt. Weniger ist besser, damit der Schaum an den Seiten nicht herausquillt.

Der Ständer besteht aus zwei langen Multiplex-Brettern mit 6° Anfasung, die unten und oben je eine halbkreisförmige Abschlusskappe erhalten. Zur Erhöhung der Steifigkeit der Bretter wird eine Leiste 50 mm x 20 mm mittig aufgeleimt.

Die Leiste ist hier unterbrochen, da ich zuerst das falsche Höhenmaß hatte und nicht alles noch einmal bauen wollte. Die Stützen werden, ebenso wie die Querstrebe, mit PVC-Halbrohr verkleidet. Die Stützen einschließlich der oberen Abschlußkappe werden schwarz gebeizt bzw. lackiert. Zum Schluss wird die Bodenplatte ausgefräst, auf die die Stützen geschraubt werden. Zwischen den Stützen kommt der Upfire Subwoofer zu stehen.

Da das Stützenbrett auf dem Boden steht und die untere Abschlußkappe vor das Brett geleimt wird, muss ein Streifen von 16 mm von dem Halbkreis abgesägt werden, so daß ein Kreissegment mit der Höhe H = 59 mm entsteht.

Die obere Abschlußkappe wird auf das Stützbrett geleimt und schließt bündig mit dem TMT/HT -Gehäuse ab.

Die Bodenplatte wird zu einem runden Teller mit einem Durchmesser von D = 410 mm und 2 gegenüberliegenden Aufnahmen für die Ständer mit einem Durchmesser von D = 160 mm endbearbeitet und schwarz gebeizt. Dazu zeichnet man die Kreise mit einem Zirkel auf und fräst bis zu den Schnittpunkten aus.

Die Halbrohre haben sich durch das einseitige Lackieren und Trocknen weiter zusammengezogen, so dass sie sich nur mit Mühe auf das Ständerbrett klemmen lassen. Sie sitzen so stramm, dass eine weitere Verklebung nicht erforderlich ist. Der Hohlraum ist nicht mit Füllmaterial versehen, sondern bleibt völlig unbedämpft.
Vor dem Aufklemmen der Halbrohre sind die Anschlußkabel zu verlegen und an die Einpressbuchsen am Fuß der Halbrohre zu löten.

Hier ein Foto der fertigen Box noch ohne Subwoofer:

Um die rechte bzw. linke Box nicht zu verwechseln, habe ich die Anschlußbuchsen unten im Ständer auf der Seite, die zur Mitte zeigt, eingebaut.

 

3.3 Das SW-Gehäuse

Der Subwoofer wird wie im Original zwischen die Stützen gesetzt und strahlt als Upfire nach oben. Aus optischen Gründen quadratisch gehalten, hat er damit ein Außenmaß von 380 mm x 380 mm bei 450 mm Höhe. Das Gehäuse besteht aus Buche Multiplex 19 mm.

An Holz wird benötigt für 2 Subwoofer:

4 x 450 mm x 380 mm Vorder-/Rückseite
4 x 450 mm x 342 mm Seitenwände
2 x 342 mm x 342 mm Boden
2 x 342 mm x 342 mm x 15 mm Deckel
2 x 342 mm x 342 mm x 27 mm Deckel
2 x 342 mm x 300 mm Aussteifung
4 x 160 mm x 300 mm Aussteifung

Zuerst wird die Aussteifung gebaut, deren Löcher mit einem 75 mm Kreisschneider ausgeschnitten und deren mittige Vertiefung von 100 mm mit einer Hand- und Dekupiersäge herausgearbeitet wird. Anschließend werden die Teile zusammengeleimt.

Danach werden der Boden und 2 Seitenwände zusammengeleimt. Auf präzise rechte Winkel ist unbedingt zu achten. Anschließend findet der Aussteifungskörper seinen Platz.

Nun kommt der Deckel dran, der die Schallwand bildet. Als Steifigkeitsgründen werden eine 27 mm und eine 15 mm Platte aufeinander geleimt. Bevor dies geschieht, ist in die 27 mm Platte der 280 mm Einbaukreis des Chassis ca. 18 mm tief einzufräsen, da die meisten Oberfräsen kaum 40 mm Frästiefe schaffen.

Dann werden die Platten mit der Fräsung nach innen aufeinander geleimt. So kann man in Ruhe die Versenkung des Chassiskorb mit 320 mm Durchmesser und 17 mm Tiefe in die 15 mm Platte (!!) einfräsen und sukzessive Kreis für Kreis fräsen, bis der innere Rand bei ca. 275 mm Durchmesser angekommen ist. Dabei legt man die frühere Fräsung der dicken Platte frei. Nun wird die Platte gewendet und eine weitere Fräsung mit 280 mm Durchmesser und ca. 10 mm gefahren. Dadurch wird der innere Teller komplett herausgetrennt. Die Schallwand erhält 8 Stück 6 mm Bohrungen zur Befestigung des Korbs. Zwischen den Bohrungen wird die Kante mit einem Radiusfräser abgetragen, damit das Chassis kräftig atmen kann. M6 Einschlagmuttern werden mit etwas Pattex auf der Rückseite eingeschlagen und die Gewindegängigkeit abschließend überprüft.

Als nächstes Teil findet die schmale Seitenwand ihren Platz und wird unter Einsatz vieler Zwingen verleimt. Die Innenwände erhalten eine Grundierung, damit die spätere Klebung der Spaltplatten sicher hält.

Nach dem Schließen der letzten Seitenwand werden alle Seiten mit Spaltplatten beschwert. Mit Fliesenkleber großflächig eingestrichen sollen sie dauerhaft auf den mit Haftgrund behandelten Multiplexbrettern haften. Danach werden alle umlaufenden Kanten bis auf die Sockelkannte mit einem Radiusfräser abgerundet (slime line). Anschließend wird das gesamte Gehäuse geschliffen, zuletzt mit 240er Körnung. Da die Subwoofer in schwarz gehalten sein sollen, ist das Holz zweimal zu beizen. Die Kanten ruhig mehrfach mit Beize einstreichen, da sie sehr saugfähig sind. Anschließend habe ich die Flächen mit Osmo Hartwachsöl zweimal im Abstand von 2 Tagen mit einem Stoffballen eingerieben. Eine etwas schmierige Arbeit, aber die Qualität der Oberfläche dankt es.

Jetzt noch die Anschlußterminals setzen und dann kann das Gehäuse geschlossen werden.


Die Dämmung durch massiven Aufbau und Einbringung von Spaltspalten ist definitiv ausreichend. Was noch erforderlich ist, ist die Dämpfung, sprich Absorption von vagabundierendem Schall, auch wenn bei Gehäuseabmessungen von 340mm eine stehende Welle erst bei 170/0,34 = 500 Hz, also weit oberhalb des Einsatzbereiches zu erwarten ist. Daher werden die unteren 4 Fächer bis Oberkante Versteifung mit Glaswolle ausgefüllt und das Ganze mit einer Lage Noppenschaum abgedeckt.
Für die Mineralwolle habe ich ein Paket mit 100 mm dicken Platten genommen und insgesamt 8 Stücke von 16 cm x 15 cm zurecht geschnitten. Je 2 Stück passen sauber in ein unteres Fach, ohne die Wolle zu sehr zu komprimieren. Dann wird alles mit Noppenschaum, der etwas zu groß zugeschnitten wird, klemmend abgedeckt und auf den oberen Teil der Seitenwände ebenfalls Noppenschaum mit Heißkleber geklebt.

Zum Schluß wird das Chassis eingesetzt. Der Anschluß des Kabels erfolgte mit den Druckfederklemmen des Chassis, also weder über Stecker noch per Lötanschluß. Beim Montieren der M5 x 40 mm Inbusschrauben sollte man mit Gefühl zu Werke gehen, damit man nicht die Einschlagmuttern aus Versehen herausdrückt.

Hier nun die fertigen Lautsprecher:

 

4 Elektronik

Die Elektronik befindet sich ausserhalb der Lautsprecherkonstruktion und besteht aus folgender Kette:

Digitaler Zuspieler >> (Toslink/SPDIF) >> OpenDRC-DI >> (Toslink/SPDIF) >> miniDSP 4x10 HD >> 6 x analog >> 7.1 Verstärker >> 2x3 power >> 6 x Chassis

 

4.1 Frequenzweiche und Chassis Entzerrung

Als Frequenzweiche habe ich die miniDSP 4x10 HD ausgewählt. Diese äußerst vielseitige DSP-gesteuerte Frequenzweiche verfügt über einen analogen und drei digitale Eingänge (Toslink, SPDIF und AES-EBU) sowie drei digitale Ausgänge (Toslink, SPDIF und AES-EBU) und 2 x 4 analoge Ausgänge der eigentlichen Frequenzweiche. Die analogen Ein- und Ausgänge können symmetrisch wie auch unsymmetrisch beschaltet werden. Die miniDSP speichert 4 Weichen Setups an Bord, zwischen denen mittels des Wahlschalters umgeschaltet werden kann.

Die Abtastfrequenz beträgt 96 kHz und ist für eine gute Auflösung ausreichend.

Das zugehörige Plugin läßt sich einfach und intuitiv bedienen.

Neben der Einstellung der Trennfrequenzen unter Nutzung einer großen Zahl von Filtertypen verfügt jeder der 8 Kanäle über einen Satz von 5 parametrischen Equalizern (PEQ), um die Chassis zu entzerren. Besonders interessant ist die Möglichkeit, PEQs als Biquads zu erstellen. Dadurch lassen sich zum Beispiel die Linkwitz-Transformationsfilter realisieren, die zur Entzerrung der unteren Grenzfrequenz und Einstellung der Güte des eingebauten Chassis erforderlich sind.

Als Trennfrequenzen wurden abweichend vom Original gewählt:

90 Hz beim SW – TMT Übergang und

1400 Hz beim TMT – HT Übergang.

Alle Tief- und Hochpässe sind Linkwitz- Riley Filter 4. Ordnung (LR24) mit 24 dB/Oktave Flankensteilheit. Sie sind die Voraussetzung für eine amplituden- und phasenrichtige Überlagerung der Signale im Übergangsbereich.

Der HT ist bewußt so tief angekoppelt, um einen unterbrechungsfreien Übergang im Rundstrahlverhalten vom TMT zum HT zu erreichen.


Voraussetzung für eine sorgfältige Entzerrung der Chassis sind Messungen an dem fertigen Lautsprecher. Ziel sollte es sein, den Frequenzgang der einzelnen Chassis über deren späteren Arbeitsbereich hinaus zu linearisieren, damit der akustische Frequenzgang dem Frequenzgang der Trennfilter folgt. Die Linearisierung sollte mindestens ein bis zwei Oktaven unter- und oberhalb des Arbeitsfrequenzbereichs umfassen.

Da jedes Chassis von Haus aus einen Hochpass 2. Ordnung bildet, ist ohne Kenntnis der Eigenschaften dieses Hochpassverhaltens keine korrekte Entzerrung der Grenzfrequenz möglich. Siegfried Linkwitz hat mit seinem Transformationsfilter ein Werkzeug geschaffen, die untere Grenzfrequenz und Güte Qtc eines Chassis im geschlossenen Gehäuse unter Beachtung einiger Randbedingungen frei zu wählen. Dazu ist nur die Kenntnis der Parameter Fo (-3 dB Frequenz) und Güte Qo des eingebauten Chassis erforderlich, die aus der gemessenen Resonanzfrequenz, dem gemessenen Widerstand bei Resonanz und dem Gleichstromwiderstrand errechnet werden.

Mit ARTA LIMP lassen sich die Werte ausmessen. Sofern ein präzises Zusatzgewicht z.B. aus Knete zur Verfügung steht, geht es nach der „added mass“ Methode noch einfacher. Zwei Messungen und LIMP berechnet die Parameter automatisch.

MiniDSP stellt auf der Homepage ein Filterberechnungstool auf Excel Basis zum Download zur Verfügung, mit dem die Biquad-Koeffizienten aller Filtertypen einschließlich des Linkwitz-Transformationsfilters errechnet werden können.

Beispielhaft zeigt die nachstehende Graphik den Frequenzgang des TT erweitert mittels Linkwitz-Transformationsfilter. Aus den gemessenen Werten Fo und Qo ergibt sich der in blau dargestellte der Frequenzgang des eingebauten TT. Gelb ist der Verlauf des Korrekturfilters, so dass die rote Kurve den resultierenden neuen Frequenzgang des TT wiedergibt.

Die Linearisierung des Frequenzgangs oberhalb der Arbeitsgrenzfrequenz erfolgt mit PEQs ebenso wie die Unterdrückung von Resonanzspitzen oder Füllen von Frequenztälern. Dabei ist zu beachten, dass primär nur Chassis bedingte Unregelmäßigkeiten korrigiert werden sollten. Als PEQ stehen Peak-Filter und High- und Low- Shelf Filter zur Verfügung, deren Frequenz, Güte und Gain unabhängig voneinander eingestellt werden kann. Wird ein Biquad verwendet, so kostet dies einen PEQ.

Bei Einbrüchen oder Überhöhungen des Frequenzgangs aus akustischen Gründen sollte versucht werden, diese Probleme akustisch zu korrigieren, da eine elektrische Korrektur nur für eine einzige Konstellation im Raum korrekt sein kann. Gegebenenfalls sind Frequenzgangmessungen bei verschiedenen Winkeln horizontal und vertikal vorzunehmen und als Kompromiss eine elektrische Entzerrung für einen Mittelwert durchzuführen.

Zur Messung des Frequenzgangs verwende ich das Programm ARTA RTA, das eine zweikanalige Messung ermöglicht, um neben der Amplitude auch die Phase erfassen zu können.

Eine gute Linearisierung ist das Ergebnis eines längeren iterativen Prozesses bestehend aus dem wiederholten Messen und Filtereinstellen bis das Ergebnis zufriedenstellend ist.

Sofern man keine eigene komplette Entzerrung durchführen möchte, sind folgende ermittelte Entzerrungen eine gute Basis, auf die man aufbauen kann.

Nach der Entzerrung der Chassis sind die Einstellungen daraufhin zu prüfen, dass keine Übersteuerung des DSP eintreten kann. Eine Übersteuerung führt zum sogenannten Clipping, was sich als deutlich vernehmbares Prasseln äußert. Eine Übersteuerung tritt dann auf, wenn ein Signal mit Nennpegel, d.h. mit 0 dBFS im DSP eine weitere Verstärkung erfährt und mit > 0 dBFS in den Digital/Analogwandler geschickt wird. Dann kommt es durch die Limitierung der Bittiefe von z.B. 24 Bit zum Überlauf mit Verzerrungen. Abhilfe schafft eine Pegelreduzierung auf digitaler Ebene im Eingang oder Ausgang, wobei die Pegelanpassung im Ausgang insofern günstiger ist, als dadurch am wenigsten Auflösung verloren geht. Es ist also zu prüfen, wieviel dB Verstärkung ein Signal für ein Chassis auf Grund der Entzerrung unter Berücksichtigung der Trennfrequenzen erhält. Der Ausgangspegel aller Kanäle ist dann um den größten ermittelten Verstärkungsfaktor zu reduzieren.

Sowohl im tiefsten Frequenzbereich unterhalb von 20 Hz als auch im obersten Frequenzbereich oberhalb von 15 kHz wird das Signal durch die Frequenzweiche um 8 dB angehoben. Da bei diesen Frequenzen erfahrungsgemäß kein Nennpegel auftritt, wurde der Ausgangspegel aller Kanäle statt um 8 dB nur um 6 dB gesenkt.

Die unterschiedlichen Kennschalldrücke werden, um möglichst wenig Auflösung bei der DA-Wandlung zu verlieren, nicht über unterschiedliche Kanalpegel in der Frequenzweiche kompensiert, sondern im nachgeschalteten Mehrkanalverstärker.

 

4.2 Verstärker

Als externe Mehrkanalverstärker für Aktiv-Lautsprecher eignen sich 5.1 und 7.1 AV Surround Receiver hervorragend. Diese verfügen über diverse DSP gesteuerte Decoder- und Betriebsmodi und in der Regel auch über einen EXT.IN Modus zum Anschluss eines externen Dekoders. In diesem Modus wird der Signalpfad zwischen Vorstufe (DSP) und den Endstufen aufgetrennt und jeder Endstufenkanal erhält sein eigenes analoges Signal über eine Eingangsbuchse zugespielt. Der große Vorteil ist, dass der Master Volume Regler auf alle Kanäle wirkt und damit die Einstellung der Lautstärke aller Kanäle gleichzeitig erfolgt. Des Weiteren verfügen AVR-Verstärker über ein Menü, in dem für jeden Kanal ein individueller Pegel eingestellt werden kann, um z.B. Lautstärkeunterschiede am Hörplatz wegen asymmetrischer Aufstellung der Surround Lautsprecher auszugleichen. Diese Einstellmöglichkeit nutze ich, um die unterschiedlichen Kennschalldrücke der Chassis anzupassen. Die Einstellung ist für beide Boxen gleich und beträgt bei nachstehender Kanalzuordnung:

• TT: 0 dB Kanal FL und FR
• TMT: - 1 dB Kanal SL und SL
• HT: - 7 dB Kanal SBL und SBR

Die 2 x 3 genutzten Ausgangskanäle der MINIDSP Frequenzweiche stellen den externen Dekoder dar und werden mit kurzen RCA-Verbindungskabeln an die externen Eingangsbuchsen gem. obiger Zuordnung angeschlossen. Entsprechend der hier gewählten Zuordnung von Box und Frequenzbereich zum Eingang sind die Chassis den entsprechenden Ausgangsklemmen zuzuordnen.

Ich nutze für meine Projekte AV Surround Receiver von DENON, für diesen Lautsprecher ist es der 7.1 AVR-1909 mit 7 Endstufen à 120 W Ausgangsleistung. Für den Hausgebrauch und für den überwiegenden Teil meines Musikmaterials ist die Leistung ausreichend.

 

4.3 Phasenentzerrung


Ein verzerrungsfreies Übertragungssystem ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass es einen linearen Phasengang und damit eine konstante Gruppenlaufzeit besitzt.

Leider führen aber jedes passive oder aktive Filter und das Hochpassverhalten der Chassis zu einer Phasenverzerrung, die sich in einer frequenzabhängigen Veränderung der Gruppenlaufzeit äußert. Dabei erhöht sich der Wert der Gruppenlaufzeit bei niedrigeren Frequenzen und fällt zu höheren Frequenzen wieder ab. Die Wahrnehmungsschwelle für die Hörbarkeit von Gruppenlaufzeitänderungen ist ebenfalls frequenzabhängig und liegt bei

• 3,2 ms @ 500 Hz
• 2 ms @ 1 kHz
• 1 ms @ 2 kHz
• 1,5 ms @ 4 kHz
• 2 ms @ 8 kHz

wie die Herren J. Blauert und P. Laws bereits im Jahre 1978 in ihrer Untersuchung „Group Delay Distortions in Electroacoustical Systems“ beschrieben haben.

Um die Phasenverzerrungen zu korrigieren bedarf es Filter, die einen zum verursachenden Filter inversen Phasengang aufweisen. Mit konventionellen Filtern ist dies aber nicht möglich, denn es müssten die hohen Frequenzen gegenüber den tiefen Frequenzen verzögert werden. Erst seitdem es digitale Signalprozessoren gibt, mit denen FIR Filter realisiert werden können, besteht bei vertretbarem Aufwand die Möglichkeit, die Phase zu entzerren, um damit die Gruppenlaufzeit zu linearisieren.

FIR Filter sind Filter mit endlicher Impulsantwort und werden fast ausschließlich digital implementiert. Mit ihnen lassen sich die erforderlichen Phasengänge erzeugen. FIR Filter besitzen je nach Filteraufwand eine signifikante Durchlaufzeit, die typischerweise bis zu 100ms betragen kann. Diese Verzögerung stört bei der Musikwiedergabe nicht, wirkt jedoch bei Video-Wiedergabe störend.

Die Kombination aus den beiden Linkwitz- Riley TP- und HP-Filtern bei der gleichen Trennfrequenz zeigt das gleiche Gruppenlaufzeitverhalten wie ein Allpass, d.h. einen schnurgeraden Amplitudengang und eine unterhalb der Grenzfrequenz konstante Gruppenlaufzeit, die im Bereich der Grenzfrequenz deutlich kleiner wird.

Durch Erzeugung eines Allpasses mit inversem Phasengang, wie es die Entwickler im Whitepaper nennen, läßt sich die Phasenverzerrung durch die LR Filter demnach korrigieren.

Glücklicherweise gibt es eine frei erhältliche hervorragende Software namens rephase, mit der Filter erstellt und vorhandene Filter entzerrt werden können. rephase generiert nach Eingabe der Filterdaten ein entsprechendes FIR-Filter, das in einen DSP wie z.B. OpenDRC von miniDSP geladen wird. Danach ist OpenDRC lediglich in den Signalweg einzuschleifen und die Gruppenlaufzeit ist linearisiert.

Zur besseren Kontrolle der Effekte habe ich eine Testumgebung bestehend aus meinem Mess-Laptop mit ARTA, dem miniDSP4x10 und dem OpenDRC aufgebaut.
Unter der Voraussetzung idealer Chassis mit gleichem SPL habe ich dann nur die Tief- und Hochpässe für die Trennfrequenzen bei 90 Hz und 1400 Hz mittels LR24 Filtern in den miniDSP und für die untere Grenzfrequenz des Subwoofers einen BUT12 Hochpass bei 24 Hz eingegeben.

Die Ausgänge des miniDSP werden mittels Widerstände zusammengeschaltet, so dass sich deren Signale phasenrichtig addieren und die Messung des Gesamtfrequenzgangs möglich ist.

Es zeigt sich wie erwartet und wie auf dem Screenshot zu sehen ist ein absolut linearer Amplitudengangfrequenzgang mit 3 dB Abfall bei 24 Hz..

Die zugehörige ausschließlich durch die Filter verursachte Gruppenlaufzeit (blaue Kurve) weist wie erwartet einen fallenden Verlauf auf.

Die untere dunkle Kurve zeigt, wie konstant die Gruppenlaufzeit nach der Linearisierung verläuft. Die maximale Abweichung liegt bei ca. 0,5 ms, was deutlich unter der Wahrnehmungsschwelle liegt.
Und so einfach sieht das Setting für rephase aus:

 

5 Messungen

Frequenzgang der Einzelchassis und Gesamtfrequenzgang

Schalldruck gemessen von 0° bis 90°

Und das daraus abgeleitete Sonogramm

 

6 Fazit

Die Erwartungen, die mit diesem ungewöhnlichen Konzept verbunden waren, haben sich voll und ganz erfüllt. Das Ergebnis ist ein äußerst sauber spielender Lautsprecher mit einem hervorragenden Rundstrahlverhalten. Der Lautsprecher spielt leise wie laut in gleicher Weise unangestrengt und souverän. Selbst längeres sehr lautes Hören führt nicht zur Ermüdung.
Das Aktivkonzept bietet großen Spielraum für weitere Verbesserungen, insbesondere durch die Einbindung von Raumentzerrungsverfahren wie z.B. Dirac Live, AcourateDRC und weitere.
Nicht zu unterschätzen ist der zeitliche Aufwand für den Bau der Gehäuse. Aber der Hörgenuss entschädigt für die vielen Stunden in der Werkstatt.

 

Quellennachweis: www.grimmaudio.com/site/assets/files/1088/speakers.pdf

Duo á la Grimm: PDF Download © Thomas Wiesmann

Kommentare  

# olafschauer 2015-11-17 13:25
Hi, ich hatte das Vergnügen, diesen LSP auf dem diesjährigen Contest der IGDH hören zu dürfen.
Es war ein absoluter Genuss, und der LSP ist zu Recht Sieger des Contestes geworden.
# Duke 2015-11-12 20:37
Tolle Geschichte,

sieht gut aus,
möchte man gern mal hören!

Mein Glückwunsch
# digitalfrost 2015-11-05 23:07
Da bleibt nur eins zu sagen: Wow.
# LS_Karl 2015-11-05 17:23
Hallo und Guten Tag Zusammen,

auch von mir ein Danke Schön für den lesenswerten Bericht.
Gruss Karl
# Diskus_GL 2015-11-05 10:24
Toller Bericht,

...und phantastisches Projekt!

Kann man nur bewundern und Meine Gratulation...

Das Besondere ist ja nicht nur die gute handwerkliche Umsetzung des Gehäuses und der Box an sich, sondern die DIY-Realisierun g des aktiven/digital en Konzepts - das ist wirklich konsequentes DIY-HiFi.

Viele Grüsse Joachim
# transrotor 2015-11-05 10:12
Das ist Hobby auf höstem Niveau, Respekt!

Zwei Fragen habe ich noch.

Falls später ein Dirac Live oÄ nachgerüstet würde,
könnte man dann auf OpenDRC verzichten?

Wie sieht es denn generell mit in Reihe geschalteten digitalen Geräten aus, wenn die Schnittstellen untereinander nicht digital sind.

Sind die addierten Verzerrungen welcher Art auch immer zu vernachlässigen ?

Gruss Torsten
# yogibär 2015-11-05 18:35
Danke für die vielen netten Worte.

@transrotor, zu Deinen Fragen:
1. ich denke auch beim Einsatz von Dirac Live werde ich auf die Gruppenlaufzeit entzerrung nicht verzichten können, da m.W. Dirac dies nicht leistet. Ich nutze ja nur die HW Plattform von OpenDRC mit rephase jedoch keine Raumentzerrung.

2. die Frage kann ich nicht beantworten, da ich nur digital koppel, und das funktioniert offensichtlich ohne hörbaren Qualitätsverlust

Gruss

Thomas
# kasbc 2015-11-05 09:17
Vielen Dank für diesen wirklich guten Bericht.
# FlorianK 2015-11-04 13:12
Klasse gemacht ! Respekt.
# prof.inti 2015-11-04 11:57
Sehr guter Bericht!
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