AJ-Horn, das schweizer Allzweckmesser

Es ist anzunehmen, dass jeder Lautsprecher-Selbstbauer schon einmal etwas von der Software AJHorn gehört hat. Dazu gehört auch der durch Mundpropaganda und Medienarbeit gewachsenen Ruf des wissenschaftlichen Anspruches dieser Software. Leider erzeugt das beim potenziellen Käufer leichte Angst, überhaupt damit klarzukommen. Erst wenn man AJHorn einmal in Aktion gesehen hat, stellt man fest, dass alles gar nicht so schlimm ist. Ganz nach dem Motto, es wird nicht so heiß gegessen wie es gekocht wurde. Leider hat jedoch nicht jeder DIYler einen so großen Freundeskreis von Selbstbauern, dass es einem vergönnt ist, AJHorn live begutachten zu können und viele trauen sich nicht so recht an die Demo heran.

Offen gestanden, ging es mir genauso. Als ich dann jedoch bei einem Freund das Live-Erlebnis hatte, war meine Neugier geweckt und ich kontaktierte Herrn Armin Jost, den Entwickler dieser, im nachhinein betrachtet, wunderbaren Software. An dieser Stelle bedanken wir uns ganz herrlich bei Herrn Jost, der die Idee, diese Software in unserem Magazin vorzustellen, spontan mit der Zusendung von AJHorn begrüßte. Der Name Armin Jost verrät auch gleich einen Teil der Entstehung des Namens dieser Lautsprecher Simulation. Zum AJ gesellt sich der Zusatz Horn, der gleich den Haupteinsatzzweck der Software offenbart.

Wer sich also ernsthaft mit dem Bau eines oder mehrerer Hörner befasst, sollte AJHorn genauer unter die Lupe nehmen. Das die Simulation von Hornlautsprechern nicht das Einzige ist, was sich mit AJHorn bewerkstelligen lässt, verrät das mitgelieferte, ausführliche Handbuch. Wer nicht gut mit Handbüchern in gedruckter Form zurechtkommt, erhält selbige ausführliche Hilfe auch online bei der Benutzung des Programms.

In der aktuellen Version 4.1 ist es möglich, mit AJHorn folgende Gehäusetypen zu simulieren:

Frontloaded Horn
Rearloaded Horn
Transmissionline mit Vorkammer
Transmissionline ohne Vorkammer
Bassreflexgehäuse
Bandpassgehäuse
geschlossene Gehäuse

AJHorn berechnet aus den eingegebenen Treiber- und Gehäusedaten folgende Werte:

Schalldruckfrequenzgang in einem selbst gewählten Abstand in dB
Frequenzgang der Impedanz in Ohm
Frequenzgang der Membranamplitude (Hub) in mm
Frequenzgang des linearen Maximalschalldrucks in dB
Frequenzgang der dafür benötigten elektrischen Leistung
Frequenzgang der akustischen Strahlungsimpedanz am Hornhals
Radius der Öffnungsfunktion (Steigung) in cm

Zudem lassen sich problemlos Frequenzweichen mit Steilheiten von 6 bis 24 dB in die Simulation einbeziehen. Wenn man sich mit der Weiche auf maximal 18 dB beschränkt, kann man den letzten Schaltkreis auch zu Simulation einer Resonanzdämpfung des Treibers verwenden. An dieser Stelle fällt auf, dass AJHorn sich auf die Simulation von Gehäusetypen versteht, bei denen andere Software kapitulieren muss. Ganz speziell dürfte dieses die Freunde einer gepflegten TML freuen.

Die Vielzahl der möglichen Simulationen wird von Herrn Jost folgerichtig mit der Tatsache begründet, dass sich die verschiedenen Gehäuse mit ein und dem selben Berechnungsalgorithmus simulieren lassen. Im Handbuch wird fast nebenbei darauf hingewiesen, dass die diversen Gehäuse in ihren Grenzen fliesend ineinander übergehen. Das dieses den Tatsachen entspricht, lässt sich einfach überprüfen, indem ich behaupte, eine geschlossenen Box ist im Grunde nichts anderes als ein frontloaded Horn. Ich schließe mich mit dieser Behauptung einfach dem Handbuch an, dass auch direkt erklärt, warum man das so sehen kann.

Laut Theorie ist eine geschlossene Box ein Frontloaded Horn, bei dem die Hornlänge und das Vorkammervolumen auf Null gesetzt sind. Geht man weiterhin davon aus, dass die Halsfläche dieses Horns, ebenso wie die Mundfläche der Membranfläche entsprechen, bleibt einem nicht anderes übrig, als der Theorie von Herrn Jost zu folgen.

Das dieser Denkansatz auch in der Praxis nachvollziehbar ist, wollen wir an einem Beispiel deutlich machen.

Wenn man AJHorn erfolgreich, da sehr einfach, installiert und gestartet hat, findet man sofort ein standardmäßig geladenes Projekt vor sich. Dieses Projekt ist genau das Richtige für die Simulation eines geschlossenen Gehäuses.

Das geschlossene Gehäuse

Fangen wir zunächst mit unserer Standardsoftware Lasip an. Als Tieftonchassis wählen wir willkürlich das 20 cm Kevlar-Chassis SPH-200KE von Monacor. Erstens ist dieser 20 cm Treiber im richtigen Gehäuse ein Tiefbasskünstler, zweitens sind für die Zukunft noch einige Projekte mit diesem hochwertigen Chassis geplant.

Lasip gibt uns für die geschlossene Version bei einem Qtc von 0,70, folgendes Gehäuse aus.

25 Ltr., Fc und -3dB 50 Hz. Gar kein schlechter Wert für ein so kleines Gehäuse. Was, wenn wir diese Daten in AJHorn eingeben? Das fängt zunächst mit der Erfassung der Treiberdaten an.

Man sollte bei der Dateneingabe beachten, dass die Werte für Z_1k und Z_10K entweder dem R_dc oder der Nennimpedanz des Chassis entsprechen. Gibt man die tatsächlichen Impedanzen des Chassis an, in unserem Fall 12 Ohm bei 1 KHz und 32
Ohm bei 10 KHz, rechnet AJHorn durch die steigende Impedanz einen Frequenzgangabfall, der sich in der Praxis so nicht ergibt. Das liegt daran, dass der Strom der durch die Spule fließt proportional zur Anregungskraft ist und trotz konstanter Eingangsspannung ständig kleiner wird. Wenn man ein ideales Chassis ohne Membranresonanzen und Bündelungseffekte annimmt (bzw. die gesamte abgestrahlte Energie betrachtet) dann spiegelt diese Kurve tatsächlich dessen Verhalten wieder. In der Praxis gibt es aber sowohl Membranresonanzen als auch Bündelungseffekte. Idealerweise sollte ab einer gewissen Frequenz der tatsächliche Schalldruckverlauf bei konstanter Eingangsspannung verwendet werden. Die meisten anderen Simulationsprogramme berücksichtigen diese Verhältnisse überhaupt nicht, und liegen damit - leider - teilweise näher an der Realität. Wenn man jedoch den R_dc Wert verwendet und sich dieser Fakten bewusst ist, treten sicherlich keine Probleme bei der Interpretation der Simulationen auf.

Als nächstes folgt die Dimensionierung des Gehäuses, wie vorab schon erwähnt, als frontloaded Horn. Bei geschlossenen Gehäusen wählt man h x b = Membranfläche Ah, V_RK = Volumen V_b und beta1 z.B. 500 (Näherungswert für Absorption bzw. Gehäuseverluste).

Da andere Simulationssoftware bei der Berechnung von einer sogenannten Halbraumaufstellung ausgeht, wählen wir das zunächst auch bei AJHorn aus.

Die Wahl der Aufstellung ist einer der großen Vorteile von AJHorn, denn man kann diese in die Simulation mit einfliesen lassen, was der Realität wesentlich näher kommt als die bloße Berechnung bei freier Aufstellung. Die Auswirkungen auf die Lautstärke, sind nicht nur in der Simulation sehr dramatisch.

Deutlich sieht man je nach Aufstellung den Anstieg des Schalldruckes, in der Praxis zu tiefen Frequenzen hin. Das kann jeder nachvollziehen, der seinen Lautsprecher schon einmal in die Ecke seines Zimmers verbannen musste. Dafür wird man mit einer gewaltigen Wummerarie bestraft, welche sich durch den Anstieg der tiefen Frequenzen um minimal 10 dB erklärt. Die Schritte hier:

• grün - Halbraum
• Rot - Boden und Wand
• Schwarz - Eckaufstellung

Ganz deutlich fällt aber als wichtigstes Argument für AJHorn auf: Es kommt zum fast selben Ergebnis wie Lasip. Bei einem 25 Ltr. Gehäuse erhält man auch hier einen - 3dB Frequenzgang von 50 Hz. Das zeigt sich auch in der simulierten Impedanzkurve.

So komisch es am Anfang auch klingen mochte, die Simulationsergebnisse bestätigen die Theorie, dass die geschlossene Box ein Grenzfall eines frontloaded Horns ist.

Die Reflexbox

OK, eine weitere Gehäuseform, von der AJHorn behauptet ein Horn zu sein, nämlich ein rearloaded Horn. Was sagt Lasip zum erforderlichen Gehäuse?

46 Liter, - 3dB bei etwa 30 Hz. Ganz nebenbei zeigt das auch die enormen Tiefbassfähigkeiten des SPH-200KE.

AJHorn kontert nach der Eingabe der Werte mit folgender Simulation.

Eine Abstimmung auf 30 Hz -3 dB bestätigt auch hier die Annahme der Horntheorie. Man muss auch hier wieder auf eine Besonderheit von AJHorn hinweisen. Durch die Möglichkeit den Versatz von Treiber und Mundöffnung einzugeben, lässt sich hier wunderbar simulieren was passiert, wenn man die BR-Öffnung auf die Rückseite der Box macht. Bei einem angenommenen Versatz von 40 cm ergibt sich folgendes Bild.

Was sonst noch?

AJHorn ist meines Wissens nach die einzige Software auf dem Markt, die zuverlässig eine TML simulieren kann. Da ich diese Art von Gehäusen und ihre Abwandlungen sehr bevorzuge, simuliere ich hier nun eine TML mit Vorkammer. Vorkammer deshalb, weil man dadurch die Möglichkeit erhält, die in die Line abgegebenen Frequenzen effektiv zu beeinflussen. Dabei wirkt die Vorkammer wie ein mechanischer 6 dB Tiefpassfilter und sorgt dafür, dass erheblich weniger mittlere und hohe Frequenzen in die Line gelangen. Belohnt werden wir dafür mit einem deutlich freieren, resonanzärmeren Klang der tiefen Töne.

Ich gehe dabei von folgender Konstruktion aus.

Das Gehäuse wird mit den nachfolgenden Daten veranschlagt

Dabei sind die Werte wie in der nächsten Grafik zu deuten

Beim SPH-200KE ergeben sich daraus recht vernünftige Simulationswerte

Saubere 40 Hz -3dB, können sich sehen und hören lassen. Das ist doch aber weniger als bei der Bassreflexbox, wird man nun denken. Wer aber ein Liebhaber der klaren, schlackenfreien Tieftontonwiedergabe einer Transmissionline ist, wird die TML niemals gegen eine BR tauschen.

Am Anfang war das Horn

Die eigentliche Aufgabe von AJHorn ist natürlich die Berechnung von Hörnern. Dabei unterscheidet AJHorn in Rearloaded- und Frontloaded-Hörner, wie wir schon festgestellt haben. Auch hier wieder ein Projekt, dass wir in Zukunft einmal angehen wollen. Wichtig bei diesem Horn ist die Tatsache, dass es mit nur einem Winkel auskommt, der nicht 90 Grad beträgt und damit extrem leicht nachzubauen ist.
Nein - dieses Horndesign ist nicht uns eingefallen, sondern auch hier handelt es sich um eine recht alte Konstruktion, die wir so genial finden, dass sie wiederbelebt werden sollte.

Selbst wenn man den Schnitt am 95 Grad-Winkel der Konstruktion nicht winkelt, tut das dem Horn keinen Abbruch und es lässt sich trotzdem zusammenbauen.

Mit dem CAD Programm haben wir die Maße dieser recht alten Zeichnung ausgelotet und sind auf folgende Eckwerte gekommen:

• Vorkammervolumen ca. 11 Liter
• Länge des Horn 2 m
• Mundfläche 735 cm²
• Halsfläche von 150 bis 245 cm², je nach Einstellung

Bei der Simulation eines Basshornes, sollte auf jeden Fall direkt die richtige Aufstellung gewählt werden. Wenn man ein Horn auf den Boden oder sogar in eine Ecke stellt, kann es in der Regel deutlich kleiner ausfallen, die die angrenzen Flächen die Hornwirkung im Tieftonbereich verstärken.

Bei der größtmöglichen Halsfläche von 245 cm² ergeben sich mit AJHorn die nachfolgenden Simulationswerte

Hornliebhaber werden auch hier wieder die Anmerkung bestätigen, dass sie dieses Konstruktionsprinzip jeder Bassreflexbox vorziehen, auch wenn diese rechnerisch tiefer spielt und das Gehäuse kleiner ist. Es fallen bei der Simulation sofort die Pegelsprünge oberhalb von 100 Hz auf, die dadurch entstehen, dass Hörner die ins Wohnzimmer passen, nicht beliebig lang gemacht werden können und man sie normalerweise in einer vernünftig erscheinenden Länge willkürlich abschneidet - und damit zu kurz macht.
Zum Glück ist das menschliche Gehör dafür sehr unempfindlich, so dass es nicht zu einer störend wahrnehmbarer Beeinträchtigung des Klangerlebnisses kommt. Entscheidend ist hier, dass diese Konstruktion simulationstechnisch in der Lage ist, einen extrem sauberen und sehr dynamischen Bass von ca. 48 Hz bei - 3dB wiederzugeben.
Wer einmal einen gezupften Kontrabass auf einer gut abgestimmten Hornkonstruktion gehört hat, wird sein Leben lang davon schwärmen. Ach, könnte man doch all die Vorteile jeder Gehäuseart in ein Gehäuse packen.

An dieser Stelle muss ich nun ein großes Lob an Herrn Jost aussprechen. Seine Simulationssoftware AJHorn macht Ideen in jeder Richtung erahnbar, so dass man nicht mehr vollkommen im trüben fischen muss und etliche m² Holz verschrottet, bis man zu einem Ergebnis kommt. Unserer Erfahrung nach liegt man mit AJHorn meist so nahe am Endergebnis, dass nur noch letzte Tuningmaßnahmen zum Ziel führen.

Frontgeladen

Die letzte Hornart der wir uns widmen wollen, ist das Frontloaded Horn. Diese Hornform eignet sich im Grunde sehr gut für Subwoofer-Konstruktionen, da der vom Treiber rückwärtig abgestrahlte Schall wie bei einer geschlossenen Box am akustischen Kurzschluss gehindert wird. Diese geschlossene Box wird nun mit der Membranvorderseite an ein Horn angeflanscht, um die von ihr abgestrahlten Töne zu verstärken. Durch eine eventuell zwischengeschaltete Vorkammer kann sehr wirkungsvoll verhindert werden, dass mittlere bis hohe Frequenzen ins Horn gelangen

Jetzt wenden wir uns aber einmal von den tiefen Tönen ab, denn das Frontloaded Horn ist auch der Spezialist für alle anderen Frequenzen. Wir alle kennen Hochtöner und Mitteltöner, die im Grunde alle eine Form des Frontloaded Horns sind. Auch hier gilt: Je größer die Abmessungen des Horns, desto tiefer die Töne, die es verstärkt.

Wenn man ein Mitteltonhorn konstruieren möchte, hat man es zum Glück mit durchaus zivilen Abmaßen zu tun. Ich möchte mich an dieser Stelle mit einem Treiber beschäftigen, der sich ganz hervorragend dazu eignet, zu zeigen, was man mit geschickter Konstruktion des Hornes erreichen kann.
Es handelt sich um den SPH-102KEP von Monacor, einem wirklich sehr guten Chassis, dessen Wirkungsgrad von 88 dB ab etwa 1 KHz bis zur Maximallautstärke von 95 dB ansteigt.

Will man dieses Chassis nun von 300 bis etwa 3800 Hz einsetzen, was durchaus sinnvoll erscheint, muss man den Lautstärkeanstieg wegfiltern, oder den leiseren Bereich anheben. Hier kommt nun das Horn ins Spiel. Wir brauchen einen Trichter, der dem Treiber von 200 Hz bis etwa 1500 Hz auf die Sprünge hilft. Den unteren Bereich unterstützen wir wirkungsvoll durch die Abmessungen des Horns. Den oberen Wirkbereich des Horns müssen wir durch eine Vorkammer auf den vorgesehenen Einsatzzweck begrenzen.

Um einen Frequenzgang ohne Schalldruckverlust oder Anhebung hinunter bis 300 Hz zu erreichen, benötigt der Treiber ein rückseitiges Volumen von ca. 3,7 Litern.

Da liegen wir jetzt schon im grünen Bereich. Nun müssen wir noch die gesamte Lautstärke bis 1500 Hz insgesamt erhöhen. Mit AJHorn kommt man dabei unglaublich schnell zu ersten Ergebnissen, die einen Probebau des Hornes möglich machen.

Die Dateneingabe ist schnell erledigt.

Mit einem Horn von 40 cm Länge, einer Mundöffnung von 1000 cm² und einer Halsöffnung von 40 cm², scheint unser Ziel, die Anhebung der Frequenzen ab 300 Hz, erreicht zu sein.

Die Halsöffnung von 40 cm² ergibt sich aus den Erfahrungen vieler Hornbauer vor uns, eine Größe von ca. 70 % der Membranfläche und hat sich in der Praxis als ziemlich ideal für die Anflanschung an ein Horn erwiesen. Eine Vorkammer erzielt man, wenn man zwischen Hornhals und Treiber einen Ring montiert, der das erforderliche Volumen herstellt. Die Wirkung der unterschiedlichen Volumina sieht man durch die unterschiedlich gefärbten Kurven. Rot ist hier ein Volumen von 0,1 Liter und die schwarze Kurve zeigt das Verhalten von 0,2 Liter. Man sieht sehr deutlich, wie effektiv sich dieser akustische Filter nutzen lässt.
Die Impedanz des Systems lässt auch keine unerwarteten Probleme erkennen, also eigentlich sollte es funktionieren.

Dass es sich hier um Simulationen handelt, ist jedem klar. Diese können den tatsächlichen Aufbau und die Feinarbeit am System nicht ersparen. Es wird hier aber gezeigt, wie gut ein solch hochentwickeltes Werkzeug wie AJHorn die Arbeit erleichtern kann und man kommt schnell zu Entscheidungen, an denen man sonst Wochen mit Fehlbauten gesessen hätte, oder die Seiten von Papier gefüllt hätten. Etwas schwierig ist die Tatsache, dass man schon einiges an Erfahrung braucht um zu vernünftigen Gehäusen zu kommen. AJHorn zählt nicht zu den Simulationen die, nach Eingabe der Chassisparameter, mit einem fertigen Gehäusevolumen antworten, dafür ist es aber extrem flexibel und wenn man ein Gespür dafür entwickelt hat, stehen der Phantasie keine Hindernisse mehr im Weg.

Die Erkenntnisse mit dem frontloaded Horn haben uns auf eine Idee gebracht und wir werden Versuchen das in einem Projekt in die Praxis umzusetzen - Lasst euch überraschen!

AJHorn Lautsprecher-Gehäuse Simulationssoftware

Vertrieb: Armin Jost
Internet: http://www.aj-systems.de