Bauvorschläge (Version vom 28.08.2004)

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Themenübersicht:

DoppelWhopper 2.5-Wege-Standbox für ca. 1000 €/Paar (alles inklusive)
Buschhorn Diskussionsbeitrag zum Thema (Backloaded) Hörner am Beispiel des Buschhorns
Messmikrofon Preiswertes Messmikrofon mit Vorverstärker für ca. 17 € (alles inklusive!) (teilweise)


DoppelWhopper

Zur Zeit höre ich über eine 2.5-Wege-Standbox mit AUDAX/SCAN SPEAK- Bestückung, die auf den Namen DoppelWhopper hört.

Auswahl des Bass-/Mitteltöners:
Der Mitteltöner AUDAX HM170Z0 ist in so hochkarätigen Boxen wie der BURMESTER 949 First (Paarpreis ca. 10000 €, Test in STEREOPLAY 05/98), IQ 200/300 (Paarpreis 3500/4500 €, Test in STEREOPLAY 11/94 bzw. AUDIO 12/94) zu finden und hat auch im Vergleichstest der KLANG & TON (17cm High-End-Tieftöner 06/93) gut abgeschnitten.

Auswahl des Hochtöners:
In vielen Boxen der 1500 €/Stück-Klasse findet man den SCAN SPEAK D2905/9X00 (z.B. IQ 200/300, WILSON BENESCH Act One etc.). 3 der 4 von STEREOPLAY als überragend eingestuften passiven Lautsprecher (ALR Factor 7, AUDIO PHYSICS Caldera, CHARIO Academy 3) verwenden diesen Typ. Und auch im Vergleichstest der KLANG & TON (High-End Hochtöner 01/93) zeigte er seine Qualitäten.

Auswahl des Basslautsprechers:
Entsprechend den Ausführungen zum Thema Wieviel Bass? habe ich zur Unterstützung des Bass-/Mitteltöners im Grundtonbereich unter 350 Hz einen weiteren 17cm Basslautsprecher gewählt.
Der Bass-/Mitteltöner läuft nach unten hin durch und macht in einem ca. 12 l großen geschlossenen Gehäuse damit nur sehr geringe Auslenkungen im Tiefsttonbereich. Der eigentliche Basslautsprecher arbeitet in einem ca. 30 l großen Bassreflexgehäuse. Diese Gehäuseart kann durch Verändern der Helmholtz-Frequenz bzw. völliges Schließen des Bassreflexrohrs in weiten Bereichen an die Raumakustik angepasst werden (s. Tuningpotential verschiedener Schallführungen). Aufgrund seiner günstigen Thiele/Small-Parameter und seines identischen Designs wurde schließlich der AUDAX HM170G0 als Basslautsprecher gewählt.

Wahl des Lautsprecheranordnung:
Wie im Flussdiagramm ausgeführt habe ich zunächst Testgehäuse für alle Chassis (inkl. Hochtöner) angefertigt, so dass selbst die Anordnung von Bass-/Mitteltöner und Hochtöner sowie deren Vertikalversatz variabel waren. Nach längerem Probieren der relativen Position und diverser Frequenzweichenbeschaltungen stellte sich eine Anordnung mit mittig angeordnetem Hochtöner und obenliegendem Bass-/Mitteltöner als am günstigsten heraus.

Wahl des Frequenzweichendesigns:
Aufgrund von leichten Unsauberkeiten des Bass-/Mitteltöners oberhalb von 2.5 kHz wurde die akustische Trennfrequenz auf etwa 2000 Hz gelegt. Der Hochtöner muss hier aus thermischen und mechanischen Gründen mit 18 dB/Oktave bei ca. 2200 Hz elektrisch abgetrennt werden, während der Bass-/Mitteltöner mit einem leicht überschwingenden Tiefpassfilter 2. Ordnung bei ca. 1500 Hz auskommt. Zusammen mit den Frequenzgängen der einzelnen Chassis ergibt sich ein akustisches Filter mit Bessel-Charakteristik 4. Ordnung bei 2000 Hz.

Hier ein paar Messergebnisse mit SB_OCT (noch ohne spezielle Test-CD):

Spannungsverlauf an den einzelnen Chassis:

Gesamtimpedanzverlauf:

Schalldruckpegel im Hörraum in 1m Abstand (BR offen):

Wer die DoppelWhopper nachbauen möchte findet hier eine detaillierte Bauanleitung als PDF-Datei.

Weitere interessante Bauvorschläge finden sich auf meiner Linkseite.

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Diskussionsbeitrag zum Thema: "Hörner - Voodoo - oder mehr??"

Seit einiger Zeit steht ein Diskussionsbeitrag von Peter Krips im Internet mit dem Titel "Hörner - Voodoo - oder mehr??", der recht kontrovers in diversen Foren diskutiert wird. Bei der Komplexität des Themas ist eine Diskussion in einem Forum natürlich schwierig, zumal wenn man detailliert mit Fakten argumentieren möchte.

Meine erste Reaktion auf Peters "Pamphlet" war "shocking": da macht mir doch jemand die immer wiedergekäuten (und schließlich für wahr empfundenen) Meilensteine der glorreichen Hörnertheorie zunichte! Als da wären:

Stück für Stück werden die Vorteile der Hornlautsprecher in der Luft zerrissen, bis fast nur noch die Nachteile (Hornverfärbungen, Baugröße, Preis etc.) übrig bleiben.

Beim Thema Mittel-/Hochtonhörner kann ich mich sehr gut Peters Argumentation anschließen, dass der vermeintlich höhere Wirkungsgrad durch eine Bündelung auf die Hauptstrahlachse erzielt wird. Dies kann jeder bestätigen, der den 1"-Hochtonorntest in K&T 3/98 aufmerksam gelesen hat. Im PA- bzw. Open Air-Bereich ist das eine sehr erwünschte Eigenschaft, die tatsächlich sinnvoll ist. Im HiFi-Bereich dominiert oftmals der diffuse Schallanteil am Hörplatz, so dass auch die seitlich (nicht) abgestrahlte Energie berücksichtigt werden muss.
Selbst bei optimaler Anpassung des Strahlungswiderstandes der Membran an die Luft ergibt sich ein maximaler Leistungswirkungsgrad von 50%, das entspricht einem Wirkungsgrad von 109 dB/W/m bei Abstrahlung in den Halbraum. Hörner, die einen höheren Wirkungsgrad versprechen KÖNNEN dies nur auf Achse erreichen, MÜSSEN also per Definition seitlich weniger abstrahlen! Auch einige der in K&T 3/98 gemessenen Hörner produzieren auf Achse einen Schalldruck von über 110 dB/W/m!

Im Bassbereich tue ich mich schwer, diesen Gedanken weiterzuspinnen. Zu sehr ist bei mir verhaftet, dass dort keine nennenswerte Bündelung auftritt. Bei im HiFi-Bereich üblichen Membrandurchmessern von höchstens 30cm ist das bis knapp 200 Hz ja auch der Fall. Mundöffnungen von Basshörnern haben jedoch teilweise deutlich größere äquivalente Durchmesser, so dass es hier auch bei niedrigeren Frequenzen zu Bündelungseffekten kommen kann. Bei der Bestimmung des äquivalenten Durchmessers darf nicht nur die reine Öffnungsfläche betrachtet werden. Bei boden- und/oder wandnaher Aufstellung verlängern die Begrenzungsflächen das Horn, so dass sich ein akustisch "längeres" Horn mit entsprechend größerer Öffnungsfläche ergibt. Auch die direkte "Spiegelung" der Öffnungsfläche an den Begrenzungsflächen führt zu einem Rundstrahlverhalten, dass der gesamten Öffnungsfläche (incl. "Spiegel"-Öffnungen) entspricht. Da kann es dann auch unterhalb von 100 Hz noch zu Bündelungserscheinungen kommen.

Was bringt aber diese Bündelung für Vorteile, wo sich doch gerade im Bassbereich wegen fehlender Absorption ein stark diffuses Schallfeld ergibt, in dem doch wieder die Schallabstrahlung aller Raumwinkel (also die gesamte Schallleistung) aufaddiert wird. Eigentlich sollte das auch eine "Nullnummer" sein. Vielleicht ist sie aber auch der Schlüssel zum Verständnis der Hornwirkung?

Da ich schon seit langem ein einzelnes Buschhorn (so genannt nach dem Erbauer Dr. med. A. Buschhorn, Göttingen) im Keller stehen hatte, habe ich mir an einem dieser sagenumwobenen, langen Winterabende 'mal 'ne ganze Stunde Zeit genommen, ein paar Messungen mit SB_OCT durchzuführen. Beim Buschhorn merkt man subjektiv einen sehr positiven Einfluss des Hornes, den ich einfach nur messtechnisch festhalten wollte.
Beim Buschhorn handelt es sich um ein 2-fach gefaltetes Backloaded Horn für den VISATON FRS8 mit einem Koppelvolumen von 2.8 l und relativ wohnraumfreundlichen Abmessungen (H=92cm, B=15.4cm, T=33cm).
Die Hornkonstante m des Buschhorns beträgt etwa 1.82 [1/m], daraus ergibt sich eine untere Grenzfrequenz von etwa 50 Hz.
Die Hornlänge beträgt etwa 173cm (+ ca. 18cm Mundkorrektur bei Abstrahlung ins Freifeld), als Transmissionline betrachtet ergibt sich damit eine Verstärkung bei 45 + n x 90 Hz.
Nach einem Artkel von D.B. Keele ("Low-Frequency Horn Design Using Thiele/Small Driver Parameter", präsentiert bei der 57. Tagung der Audio Engineering Society, Los Angeles, Mai 1977, Preprint 1250) setzt für den FRS8 im Buschhorn die Tiefpasswirkung des Koppelvolumens bei etwa 675 Hz ein, während die Tiefpasswirkung der Membranmasse bereits bei 180 Hz beginnt.
Dr. Buschhorn hat mit freundlicherweise die Veröffentlichung eines Bauplans des Buschhorns (87 kB PDF-Datei) erlaubt.

Um das Verhalten des Buschhorns zu dokumentieren habe ich (jeweils mit offenem und geschlossenem Hornmund) folgende Messungen gemacht:


Impedanz Bass

Hinweis:Die Boxen standen aufrecht auf dem Boden (mindestens 1.5m von den Wänden entfernt)
Messergebnis:nur von 80 bis 120 Hz ergibt sich bei offenem Hornmund eine leichte Änderung (Rückwirkung vom Horn?)


Schalldruckpegel im Nahfeld (10cm vom Bass bzw. Hornmund)

Hinweis:Die Boxen standen aufrecht auf dem Boden (mindestens 1.5m von den Wänden entfernt).
Messergebnis:im Nahfeld vom Bass ergibt sich nur von 60 bis 110 Hz bei offenem Hornmund eine leichte Änderung (Rückwirkung vom Horn)
im Nahfeld vom Hornmund zeigt sich eine starke Abstrahlung um 110 Hz sowie leichte Peaks bei 180 und 280 Hz.


Schalldruckpegel im Raum (100cm, 0 Grad vom Bass)

Hinweis:Die Boxen standen aufrecht auf dem Boden (mindestens 1.5m von den Wänden entfernt).
Messergebnis: im Raum ergeben sich neben dem Hauptpeak bei 110 Hz kleinere Peaks bei 80 und 100 Hz sowie bei 210 und 285 Hz.
Dieses Ergebnis ist natürlich stark abhängig davon, wo genau die Messung im Raum durchgeführt wird. Generell kann man jedoch sagen, dass sich der abfallende Trend bei geschlossenem Hornmund (Abfall ab 300 Hz mit ca. 5 dB/Oktave) bei offenem Hornmund umkehrt in ein leicht ansteigendes Verhalten (ca. 1 dB/Oktave) bis herunter zu etwa 80 Hz (+/- 4 dB)!
Der Einbruch bei 100 Hz bei geschlossenem Hornmund wird durch Reflexionen am Boden und an einem Schrank hervorgerufen (Umweg jeweils etwa 170 cm = halbe Wellenlänge (180° Phasenversatz) bei 100 Hz!
Da der Hornmund nach hinten abstrahlt würde eine erhöhte Bündelung der Schallenergie (wie von Peter Krips unterstellt) ja gerade dafür sorgen, dass von der Hornmündung am Mikrofon kaum etwas ankommt. Da der Hornmund aber nur vertikal "groß" ist tritt eben nur eine vertikale Bündelung ein, horizontal sorgt der "schmale" Hornmund für eine Beugung um das Gehäuse nach vorne. Durch die Konzentration der Energie in der Vertikalen könnte der grosse Einfluss der Hornmündung am Mikrofon erklärt werden.


Schalldruckpegel im Raum (64 Mittelungen, mind. 150cm vom LS, Höhe 0.5 - 1.5m)

Hinweis:Die Boxen standen aufrecht auf dem Boden, 16cm von der Rückwand und 80 cm von der Seitenwand entfernt (Raum B=5m, T=4.5m, H=3m).
Messergebnis: durch die räumliche Mittelung (Reproduzierbarkeit siehe Kurven 1 und 2) im Raum ergeben sich ausgeglichenere Kurven, die im Prinzip jedoch dasselbe Verhalten wie in 1m Abstand zeigen.
Da der Hornmund eine - für die Abstrahlung tiefer Frequenzen - wesentlich günstigere Position hat, hinkt der Vergleich mit offenem (Kurve 1+2) und geschlossenem Hornmund (Kurve 3) etwas.
Daher wurde das Buschhorn bei geschlossenem Hornmund auch "umgedreht" gemessen: auf den Kopf gestellt und mit dem Lautsprecher zur Wand abstrahlend (Kurve 4). Aber auch in dieser Position wurde ein geringerer mittlerer Schalldruckpegel im Raum gemessen. Dies gilt selbst dann, wenn man beide Ergebnisse mit geschlossenem Hornmund energetisch addiert (Kurve 5)!
Zwischen 50 und 140 Hz bringt das Horn also einen Gewinn von mindestens 6 dB (selbst im Vergleich zur "umgedrehten" Box) und erweitert den Bassfrequenzgang des FRS8 um 1 Oktave nach unten (von 140 Hz auf 70 Hz). Bei günstiger Aufstellung und Nutzung von Raumresonanzen liesse sich ggf. noch der 115 Hz Peak abbauen und die untere Grenzfrequenz auf 60 bis 50 Hz reduzieren.


Einfluss des Horns auf die Membranauslenkung

Hinweis:Bei Anregung mit Sinustönen und deutlich sichtbarer Membranauslenkung wurde der FRS8 einmal in der Luft betrieben und dann auf das Horn gepresst. Die Änderung der Membranauslenkung wurde subjektiv beurteilt.
Messergebnis: im gesamten Frequenzbereich gab es keine deutlich sichtbare Verringerung der Membranauslenkung, ausgenommen um 45 Hz (ca. Lambda/4-Frequenz).


Zusammenfassung

Obwohl mir die Aussagen von Peter Krips zunächst gegen den Strich gingen unterstützen die Messergebnisse am Buschhorn Peters Thesen weitgehend. Der 6 dB Gewinn des Horns unterhalb von 140 Hz ist eventuell durch die gerichtete Schallabstrahlung zu erklären, die die Bassenergie in der unteren Hälfte des Raumes konzentriert und damit für geringere Laufzeiten (= geringere Abschwächung durch kürzere Entfernung) aller möglichen zum Schalldruck am Mikrofon beitragenden Schallstrahlen sorgt.
Auch das "Gerücht" der geringeren Auslenkung musste begraben werden: aus gleicher Eingangsspannung resultiert der gleiche Membranhub, ob nun mit oder ohne Horn. Allerdings wird mit Horn bei gleicher Auslenkung mehr Schalldruck erzeugt. Auch das Verhalten eines Backloaded-Horns als Transmissionline konnte durch die Beobachtung der Auslenkungsreduzierung bei Lambda/4 bestätigt werden.

Die Messergebnisse können samt Kommentaren und Interpretation auch als einfache interaktive Präsentation heruntergeladen werden (die Stapeldatei Horn_Res.bat startet die Präsentation).

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Preiswertes Messmikrofon

Jeder, der sich ernsthaft mit dem Thema Lautsprecherentwicklung beschäftigt, wird über kurz oder lang den Wunsch verspüren, den Entwicklungsprozess mit Messungen zu unterstützen. Aber auch Leute, die mit einer problematischen Raumakustik zu kämpfen haben können durch Messungen zielgerichteter Verbesserungen erreichen.

Es gibt zwar haufenweise Messprogramme für diese Anwendung (z.B. auch SB_OCT), aber beim Thema Messmikrofon hört die Unterstützung dann meistens auf.

Als Standardlösung dürfte mittlerweile der Bauvorschlag aus der KLANG & TON (Heft 05/1997) gelten, der von W. Fröhlich vertrieben wird. Für ca. 25 € erhält man hier eine passable Elektretkapsel, Kabel, Stecker, Schalter, ein kleines Gehäuse etc. Schade nur, dass ein Vorverstärker vergessen wurde!

Warum ist ein Vorverstärker notwendig? Dazu muss man wissen, dass die Ausgangsspannung einer Elektretkapsel typischerweise so um die 5 mV/Pa beträgt. Da 1 Pa bereits dem stattlichen Schalldruck von 94 dB entspricht (bei 1m Abstand braucht ein normaler 8 Ohm Hochtöner mit 90 dB/W/m bei Sinusanregung dafür bereits 5 Volt Eingangsspannung bzw. 3.2 Watt Eingangsleistung und ist damit fast am Rande seiner thermischen Dauerhaltbarkeit!) wird man diesen Pegel ohne Verwendung von Gehörschützern wohl kaum ertragen wollen (in der Produktion sind Gehörschützer ab 85 dB(A) vorgeschrieben!). Das bedeutet aber, dass das Ausgangssignal des Mikrofons bei einer Messung oftmals noch viel kleiner als 5 mV ist!

Die Mikrofoneingänge von typischen Soundkarten benötigen in der empfindlichsten Stufe (bei voll aufgedrehtem Mixer) ca. 10 mV (SoundBlaster® 16) bis 50 mV (Laptop) zur Vollaussteuerung! Leider weisen die Mikrofoneingänge von Soundkarten fast immer zwei gravierende Nachteile auf:

Beide Nachteile hat der Line-Eingang von Soundkarten nicht, dafür gibt es aber folgende Einschränkungen:

Die folgenden Messungen (Eingangssignal rosa Rauschen) an der Soundkarte meines SONY Laptops (Vollaussteuerung für ca. 15 mV (Mic) bzw. 500 mV (Line)) zeigen die Verhältnisse:

Aus diesen Gründen kann man sinnvoller Weise eigentlich nur den Line-Eingang für ernsthafte Messungen verwenden!

Ich habe mir daher ein Messmikrofon mit eingebautem Vorverstärker gebaut. Als Basis habe ich einen Bausatz von CONRAD-Elektronik verwendet, so dass der Nachbau keine Probleme bereiten sollte. Neben den untenstehenden Bauteilen (Bestellnummern und Preise vom Katalog 2004, da in 2005 die Bausätze und Bauteile nur noch in einem Sonderkatalog zu finden sind ) wird nur noch ein Alurohr (Außen-/Innendurchmesser 12/10mm, Länge ca. 26cm) benötigt.

BezeichnungBestell-Nr.Preis [€]
Vorverstärker mit Kondensator-Mikrofon195375-337.95
Elektrolyt-Kondensator 22uF, 16V, RM5*468240-330.18
Widerstand 100 Ohm, 1/4W*403130-330.10
Softline-Gehäuse523127-333.14
Batterie 9V650069-331.50
Batterie-Clip624691-330.39
Micro-Miniatur-Schalter708020-330.72
Mikrofonkabel 3m606553-331.77
3.5mm-Klinkenstecker Stereo731480-331.20
Summediverse16.95

*Wichtiger Hinweis:
Leider verkauft CONRAD seit Anfang 2002 einen anderen Vorverstärker-Bausatz unter derselben Bestellnummer, so dass die untenstehenden Photos nicht dem aktuellen Bausatz entsprechen. Ich habe jedoch auch diesen Bausatz einmal aufgebaut und im unteren Frequenzbereich gravierende Unterschiede gefunden (siehe unten). Daher muss das Bauteil C5 (2.2uF) durch eine Reihenschaltung aus 22uF und 100 Ohm ersetzt werden. Beide Bauteile sind in der obigen Liste bereits enthalten.
Den "alten" Bausatz kann man noch unter Best-Nr. 197688-33 für 7.95 € kaufen, allerdings ohne Mikrofonkapsel.

Detailansicht des geöffneten Vorverstärkers (("alte" Version, siehe oben)

Messmikrofon auf StativMessmikrofon geöffnet

Ich habe das so aufgebaute Messmikrofon ("alte" Version, siehe oben) gegen ein professionelles BRÜEL & KJAER Mikrofon Typ 4188 (Preis ca. 1300 €) gemessen. Die Verstärkung habe ich so eingestellt, dass die Empfindlichkeit fast 1000 mV/Pa beträgt (entspräche 0 dB in der unten stehenden Grafik)! Damit kann auch bei Anregung mit rosa Rauschen mit realistischen Pegel und Messungen mit 1m Abstand (bzw. am Hörplatz) der Line-Eingang einer Soundkarte voll ausgesteuert werden.

Die Frequenzgangfehler sind zwar größer als beim K & T-Vorschlag (5 dB Resonanzüberhöhung im Vergleich zu 3 dB bei K & T), zeigen aber eine geringere Welligkeit im Bereich der Kapselresonanz (Schmalbandmessung umgerechnet in 1/12 Oktave).


Schließlich habe ich noch den "alten" (MicPre2) gegen den "neuen" (MicPre3) Vorverstärker elektrisch verglichen (ohne Kapsel). Außerdem war noch der ELV-Bausatz Art. Nr. 68-170-49 (rauscharmer Mikrofon-Vorverstärker) mit dabei (MicPre4). Dieser ist zwar elektrisch mit Abstand am besten, passt aber leider nicht in das Softline-Gehäuse!


Damit ergibt sich für den "neuen" Vorverstärker (modifiziert) der folgende Frequenzgang (berechnet):


Für Feinde des Lötkolbens gibt es natürlich auch eine Empfehlung. Der Mikrofonvorverstärker MPA-102 sowie das Mikrofon ECM-40 (beides von MONACOR, zusammen im Angebot für 145 € bei Audio-Z). Allerdings hat das Mikro eine saftige Überhöhung am oberen Frequenzende:


HINWEIS:

Es wurde jeweils nur die nominellen (nicht individuellen) Frequenzgänge der Referenzmikrofone verwendet!


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