HSB SimBo 1, Spitzenlautsprecher kann doch jeder!

Es werde Box, und es ward Box - die HSB-SimBo

An dieser Stelle wollen wir mal ein Experiment machen, das im Wesentlichen auf dem Simulationswahn in diversen Foren beruht. Immer wieder bekommt man Lautsprecher vorgestellt die auf einer Simulation in Boxsim, WinISD, VirtuixCad oder ähnlichen Programmen beruhen. Diese Programme sind zweifelsfrei enorme Werkzeuge beim Bau von Lautsprechern und helfen vor allem Anfängern ein erstes Gefühl für DIY HiFi zu entwickeln. So weit so gut, wäre da nicht die, zum Teil naive, Vorgehensweise diese Simulationen widerspruchslos hinzunehmen und die simulierten Werke später als fertige Box, ohne weitere Untersuchungen vorzustellen.

Im November 2024 haben wir das Datenblatt vom TANG BAND W5-2143 veröffentlicht (s. Link). Gegen Ende des Datenblatts (Kapitel "Simulationen") haben wir den W5-2143 virtuell in ein Gehäuse eingebaut und mit Boxsim eine virtuelle Weiche entwickelt, wobei wir den Frequenzgang auf Achse optimiert haben.

Und obwohl Theo Theo heißt (und nicht wie ich Thomas) ist er manchmal bei Simulationen ungläubig. Daher hat er kurzerhand das simulierte Gehäuse mit allen Abmessungen und Fasen Realität werden lassen, wobei er - in weiser Voraussicht - die Rückwand austauschbar gemacht hat.

Die Ausgangslage ist also Folgendes

Bass, Bass, wir brauchen Bass!

Das Bassreflexrohr war in der Boxsim-Simulation vorne unter dem W5-2143 angebracht, die Simulation mit WinISD V0.70 hatte im 14 Liter großen und auf 58 Hz abgestimmten Gehäuse bei einem Rohrdurchmesser von 4.7 cm eine Länge von 7.6 cm ergeben.

Aus Erfahrung wissen wir, dass die Abstimmfrequenz kleiner wird, wenn man Absorptionsmaterial ins Gehäuse einbringt. Dies wird üblicherweise dadurch erklärt, dass sich das Gehäusevolumen virtuell vergrößert - was da im Einzelnen passiert wird hier detailliert beschrieben. Wie groß dieser Effekt in Abhängigkeit von der Menge des eingebrachten Absorptionsmaterials ist kann man nur abschätzen. Ein sehr gutes Werkzeug dafür ist in Boxsim unter dem Menüpunkt "Extras / Auslegung Reflexkanal" zu finden. Dort wird sogar der Einfluss der Position des Reflexkanals und des Abstands zu den Gehäusewänden simuliert - und das funktioniert oft verblüffend genau!

Das Absorptionsmaterial wird benötigt um stehende Wellen im Gehäuse zu reduzieren (s. Schallabsorption im Lautsprechergehäuse). Gerade bei Breitbändern mit ihren leichten Membranen ist dies besonders wichtig, da eine z.B. an der Gehäuserückwand reflektierte Schallwelle zeitverzögert die leichte Membran trifft und so aus dem Konzept bringt. Die simulierte box war 36 cm hoch, 22 cm breit und 28 cm tief. Bei einer Materialstärke von 19 mm ergeben sich Innenabmessungen von 32.2 cm (Höhe), 18.2 cm (Breite) und 24.2 cm (Tiefe). Stehende Wellen treten dann auf, wenn eine halbe Wellenlänge einmal oder mehrfach zwischen 2 parallele Wände passt, in diesem Fall also:

Stehende Wellen können im vorliegenden Gehäuse bevorzugt zwischen Front- und Rückwand auftreten - noch etwas schlimmer wäre es, wenn kein Magnet im (Schall-) Wege stehen würde. Hier kann sich das Resonanzmuster von Schnelleminimum (an den Wänden) und Schnellemaximum (in der Gehäusemitte) optimal ausbilden. Am schlechtesten lassen sich stehende Wellen zwischen den Seitenwänden anregen, denn die kolbenförmige Bewegung der Lautsprechermembran möchte auf der gesamten Gehäusebreite dieselbe Schallschnelle erzeugen und unterdrückt so die Ausbildung des seitlichen Resonanzmusters. Dies gelingt in der Höhe nicht mehr so gut, da die Membran nur die halbe Höhe kontrollieren kann.

Die Wirkung des Absorptionsmaterial lässt sich im Impedanzverlauf und im Schalldruckverlauf im Nahfeld der Lautsprechermembran am besten "ablesen". Bei einer Bassreflexbox kommt noch der Schalldruckverlauf in der Bassreflexmündung hinzu. Und so sieht das bei unserer Simulations-Box (kurz: SimBo) aus:

-> zusätzliche Impedanzspitzen bei 515, 708 und 1334 Hz (die das Chassis in Freiluft nicht hatte)

-> Störungen bei 515, 700 und 868 Hz sowie 1.6 und 1.88 kHz

Die beobachteten "Störungen" passen recht gut mit den "erwarteten" stehenden Wellen überein. Im Folgenden wurde durch Einbringen von 6.5 cm dicken Noppenschaumstoff nur am Boden bzw. nur an der Rückwand die Wirkung auf die einzelnen stehenden Wellen verifiziert. Es ist aber auch zu erkennen, dass die Abstimmfrequenz zu niedrig ist. Daher wurde dann erst einmal das Rohr entsprechend gekürzt:

Das sieht recht ähnlich aus, allerdings fällt die Störung um 868 Hz jetzt geringer aus und um 1.6 kHz hat die Störung zugenommen. Da liegt der Verdacht nahe, dass es sich um Rohrresonanzen handelt, denn das Bassreflexrohr von 5 cm Innendurchmesser wurde von 154 mm auf 70 mm gekürzt. Beim Bassreflexrohr zählt aber nicht die per Zollstock ermittelbare physikalische Länge, sondern die akustische Länge, die bei typischem Einbau (hinten frei, vorne bündig mit Schallwand) etwa 3/4 des Durchmessers länger ist. Damit ergeben sich akustische Rohrlängen von 191.5 bzw. 107.5 mm und somit Rohrresonanzen bei Frequenzen, bei denen diese akustischen Rohrlängen einer halben Wellenlänge entsprechen:

Rohrresonanz [Hz = 1/s] = 343000 [mm/s] / (2 · akustische Rohrlänge [mm]) -> 896 bzw. 1595 Hz

Das passt ja wie Faust aufs Auge!

Wenn man nun 6.5 cm dicken Noppenschaumstoff auf die Rückwand und den Boden anbringt und seitlich und oben eine Lage Polyestervlies, dann sehen die Schalldruckverläufe so aus:

Der Bassreflexeffekt um 55 Hz fällt wegen des Absorptionsmaterial etwa 2 dB geringer aus und die Störungen bei 515 Hz (Höhe) und 700 Hz (Tiefe) sind 20 dB unter dem Bassreflexeffekt - nur die Rohrresonanz bei 1.6 kHz hat nur ca. 10 dB Abstand zum Nutzpegel des Chassis. Wir haben vieles ausprobiert (s. Zustandsliste), aber diese Rohrresonanz ließ sich einfach nicht reduzieren. Selbst der "Trick" mit dem gelöcherten Rohr (s. Bauvorschlag Marko bzw. Earl Grey) half hier nicht (Zustand t).

Dank der auswechselbaren Rückwand haben wir es mal mit einem Passivstrahler versucht, dem DAYTON DSA175-PR. So sieht dann der Schalldruckverlauf im Nahfeld ohne bzw. mit Absorption aus:

Ohne Absorption sind im Nahfeld des Passivstrahlers noch Störungen bei 531, 708 und 870 Hz sowie 1.27 und 1.68 kHz erkennbar, im Nahfeld des Chassis stören davon vor allem die 708 Hz. Mit einem 50cm langen und 18.5 cm breiten Streifen aus 6.5 cm dicken Noppenschaumstoff konnten alle Störungen im Nahfeld des Passivstrahlers auf knapp 20 dB unter dem Nutzpegel reduziert werden und auch der Frequenzgang im Nahfeld des Chassis zeigte keine Störungen mehr.
Dummerweise war die Abstimmfrequenz mit dem verwendeten Passivstrahler deutlich zu tief (ca. 42 statt 58 Hz), obwohl die Membran nicht beschwert worden ist. Nach virtuellem Ausprobieren mehrerer anderer Passivmembranen (u.a. DAYTON DS135-PR, DS175-PR, DS215-PR und DSA135-PR sowie SB-ACOUSTICS SB16PFCR-00) stellte sich heraus, dass ALLE untersuchten Passivmembranen bereits ohne Beschwerung in der SimBo eine zu tiefe Abstimmfrequenz ergaben. Erst mit 2 Passivmembranen DSA175-PR pro Box stellt sich die gewünschte Abstimmfrequenz ein :-( . . .

Zuletzt haben wir auch noch ein Bassreflexrohr auf der Gehäuserückseite unten probiert. Nach Anpassung der Absorption (Zustand y) ergab sich ein vergleichbarer Schalldruckverlauf an der Öffnung des Bassreflexrohres mit einer ausgeprägten Störstelle um 1.6 kHz.

In den Zuständen j, x und y wurden Messungen in 70 cm Abstand von der Front unter Winkeln von 0 / 15 / 30 / 45 / 60 / 75 / 90 / 105 / 120 / 135 / 150 / 165 und 180° gemacht, wobei die Box um ihren Mittelpunkt gedreht wurde -> der Passivstrahler (Zustand x) bzw. das Bassreflexrohr auf der Rückseite (Zustand y) war bei der 180°-Messung genau so weit vom Mikrofon entfernt wie das Chassis oder die Bassreflexöffnung vorne unten bei der 0°-Messung. Hier der Vergleich der 0°-Messungen:

Hinweis: Unter 600 Hz ist das Messergebnis wegen des Messabstandes von 70 cm durch Raumrückwirkungen kontaminiert!

Deutlich ist im Zustand j (Bassreflexrohr vorne unten, schwarze Kurve) die Störstelle um 1.6 kHz zu erkennen, wenn die Längenresonanz des Bassreflexrohres (unerwünschtes Störsignal) mit dem Nutzsignal des Chassis interagiert. Die beiden anderen Zustände (Passivstrahler hinten oben bzw. Bassreflexrohr hinten unten) verändern das Ausgangssignal des Chassis bei der 0°-Messung nicht.
Die Messung des Zustands x erfolgte mit nur einem Passivstrahler, was zu einer zu tiefen Abstimmfrequenz und damit deutlich unterschiedlichem Verhalten < 100 Hz führte. Die beiden Varianten mit Bassreflexrohr messen sich < 100 Hz ähnlich, die Variante mit rückwärtigem Bassreflexrohr (grüne Kurve) hat bei der 0°-Messung etwas weniger Pegel als die Variante mit vorderem Bassreflexrohr.

Und hier der Vergleich der 180°-Messungen:

Bei der 180°-Messung ist die Variante mit rückseitigem Bassreflexrohr um 1.6 kHz am lautesten - was ja zu erwarten war. Die Variante mit Passivstrahler hat in diesem Bereich den geringsten Pegel, die Variante mit vorderem Bassreflexrohr liegt dort etwas höher.

Im Polardiagramm sieht das in der 1.6 kHz-Terz so aus (gleiche Farben):

Ob man die Resonanz des Bassreflexrohres bei Positionierung vorne unten bzw. hinten unten heraushören kann und ob der Passivstrahler die Sache besser macht werden wir im 2. Teil des Artikels bei verschiedenen Positionierungen subjektiv und objektiv untersuchen.

Bis auf den Unterschied in der 1.6 kHz-Terz sieht das horizontale Rundstrahlverhalte der 3 Zustände j, x und y weitgehend gleich aus (hier: Zustand x):

Es bleibt abzuwarten, ob eine Entzerrung des Frequenzgangs auf Achse bei einem Lautsprecher mit > 3 kHz stark zunehmender Bündelung das richtige LOptimierungskriterium ist . . .

Frequenzgang:

Die Frequenzgangmessung in 70 cm Abstand ist vor allem durch die Bodenreflexion und die Deckenreflexion kontaminiert. Nutzt man nur die reflexionsfreie Zeit der Impulsantwort, so leidet die Frequenzauflösung:

Exportiert man die schwarze Kurve und lädt sie in Boxsim, dann ergibt sich mit der aus der Podestmessung gefundenen Korrekturschaltung folgender Frequenzgang:

Das sieht > 200 Hz weitgehend so aus wie in der ursprünglichen Simulation.

Fazit:

Die Umsetzung "14 Liter Bassreflexbox mit 58 Hz Abstimmfrequenz" war gar nicht so einfach:

• macht man das Bassreflexrohr nach vorne oder nach hinten?
• oder nimmt man einen Passivstrahler (und wenn ja: welchen)?
• Und wie muss die Absorption aussehen?

Der simulierte Frequenzgang basierend auf der Messung im Gehäuse sieht > 200 Hz weitgehend so aus wie bei Verwendung der Podestdaten.

• Aber wie klingt und misst sich das am Hörplatz?
• Welche zusätzliche Entzerrung möchte die Raumkorrektur-Software Dirac der SimBo angedeihen lassen? Und wie klingt es dann?
• Und hört man die Störung des Bassreflexrohres bei 1.6 kHz wirklich heraus - auch wenn das Rohr hinten sitzt?

All das werden wir im 2. Teil des Artikels subjektiv und objektiv untersuchen - stay tuned!