nuLab, Folge 1: Geschlossenes Bauprinzip gegen Bassreflexgehäuse

[Dennis83]

Fantastischer Start ins neue Format. Repräsentiert Nubert grandios. Das ist genau das, was mich so sehr an diese großartige Firma bindet. Natürlich nach den tollen Schallwandlern.

Toller ehrlicher und kompetenter Auftritt von @T. Bien.

Das macht Spaß! Gerne weiter so.

[Der BadSound]

Ein sehr spannendes Video, vielen Dank an den Erklär-Bär

[TBien]

Wenn mir Rückfragen erlaubt sind :

Aber sicher doch! Das ist ja der Sinn det Janzen

Frage 1:
In der Grafik (ab etwa Minute 6:40) wird gezeigt, dass das Impulsverhalten bei geschlossenem Port besser ist, begründet durch den schnelleren Abfall im unteren Frequenzbereich. In Laienworten: kommt weniger tief, schwing daher auch schneller zurück, gleich gutes oder schlechtes Verhalten, wenn die geschlossene Box tiefer entzerrt wird (das ist ein wirklich toller Versuch gewesen!). Verstanden, ist mir neu und bringt mir wirklich etwas in meinem Verständnis! Meine Frage an dieser Stelle: In der rechten Grafik, nachdem der rote Graph den grünen Graph von unten geschnitten hat, verdreht sich das Verhältnis - ist das dann ein "Oberschwinger" (analog "Unterschwinger")?. Gehe ich recht in der Annahme, dass das ebenso (theoretisch) zu "Unsauberkeiten" im Klang führt (Ich nenne es mal platt "nachwabbeln" der Membran)?

Gut, das Sie diese Frage gestellt haben, denn sie ist extrem wichtig für das Gesamtverständnis dieses speziellen Themas. Einfach zu beantworten ist sie dennoch nicht. Ich versuche trotzdem, mich kurz zu fassen:

Grundsätzlich gilt:
1) Ein beliebig schwingendes nachrichtentechnisches System ist durch sein zeitliches Verhalten (etwa Impulsantwort oder Sprungantwort) bereits vollständig beschrieben.
2) Das Zeitverhalten und das Verhalten im Frequenzspektrum sind lediglich zwei unterschiedliche Betrachtungsweisen des Verhaltens eines beliebigen nachrichtentechnischen Systems. Sie sind direkt miteinander verknüpft über einen rechnerischen Vorgang (Hilbert-Transformation). Dies bedeutet mit anderen Worten:

Der Unterschied der beiden gezeigten Sprungantworten (Geschlossen - Bassreflex) hat rein gar nichts
direkt mit dem Thema Bassreflex zu tun! Er zeigt lediglich, wie sich generell zwei unterschiedlich steil abfallende Frequenzgang-Kurven im Vergleich verhalten, wenn man zeitliche Vorgänge betrachtet - völlig unabhängig davon, ob es sich um einen Lautsprecher (Bassreflex, Horn, Transmissionline, geschlossen oder sonstwie), oder ein rein elektronisches Filter handelt. Es ist also völlig uninteressant, um welches Übertragungsmedium es sich handelt:

Man könnte hier also genauso gut die Sprungantwort zweier rein elektronischer Hochpassfilter (also ganz ohne Lautsprecher) im Vergleich darstellen. Ein Hochpassfilter zweiter Ordnung (was dem Verhalten eines geschlossenen Tieftongehäuses in etwa entspricht) zeigt grundsätzlich weniger unterschwingendes Verhalten als ein Hochpass vierter Ordnung (etwa Bassreflex). Auch ein Hochpass zweiter Ordnung mit einer Gesamtgüte (Qts) von größer 0,5 zeigt immer ein unterschwingendes Verhalten (in der Nachrichtentechnik nennt man das "Schwingfall").

Fazit: Mit meinem Beitrag und den darin gezeigten Messungen sollte lediglich gezeigt werden, dass man mit einem bassreflex-unterstützten System einen ebenso den Gesetzen der Nachrichtentechnik entsprechenden Abklingvorgang erhält wie mit einem geschlossenen System, wenn man die Größe "Amplitudenfrequenzgang" außer Acht lässt. Andererseits kann man sie aber eigentlich nicht außer Acht lassen, da sich der zeitliche Abklingvorgang ja aus dem Amplitudengang direkt umrechnen lässt (wie bereits erwähnt über die sogenannte Hilbert-Transformation, siehe. z. B Vorlesungsskript "Theoretische Nachrichtentechik" Prof. Dr. Bachmann, Institut f. Schwingungstechnik der FH Düsseldorf).

Frage 2:
Ich verstehe noch nicht ganz, inwieweit die Graphen mit der Impulsantwort auf der rechten Seite mit dem Frequenzgang auf der linken Seite korrelieren. Bzw. anders gefragt: Betrifft das "nachwabbeln" (Frage 1, nach dem Schnittpunkt Rot mit Grün) dann den Oberbassbereich? Lässt sich daraus dann das Fazit ziehen: Wenn Subwoofer zum Einsatz kommen, die z.B. bei 80 Hz angebunden (bzw. die Frontlautsprecher getrennt) sind, ist ein Verschluss der Bassreflexports der Frontlautsprecher sinnvoll, um das Impulsverhalten im Oberbass (z.B. 80-120 HZ) zu verbessern ("schnellerer" Kickbass)?

Nein! Mit meinem (eigentlich für dieses komplexe Thema viel zu kurzen) Videobeitrag wollte ich ja gerade nachweisen, dass der Unterschwinger eben gerade nicht mit einem "Nachwabbeln" der Membrane korreliert, sondern ganz einfach nur den strengen Gesetzen folgt, welchen einem nachrichtentechnisches System unweigerlich folgen muss. Er hat auch nichts mit dem Verhalten im Oberbass zu tun. Das lässt sich auch erkennen, wenn man die Zeitkonstante des Unterschwingers betrachtet. Sie ist viel zu lang für Frequenzen im Oberbass.
Dann zum Thema "schnellerer Kickbass": Den "schnellen Bass" gibt es nicht! Bässe sind immer zeitlich langsame Vorgänge, und hohe Frequenzen sind immer zeitlich schnelle(re) Vorgänge. Wenn man den Eindruck hat, dass etwas "nachwabbelt", dann ist ganz einfach der Oberbass bei irgend einer bestimmten Frequenz zu laut. Mit Bassreflex hat das aber ebenso wenig zu tun wie Ecken mit einem Kreis.

Frage 3:
Besteht der Nachteil des höheren Klirrfaktors nur bei Bassreflexbauweisen, die geschlossen werden oder auch bei vornherein geschlossen konzipierten Lautsprechern? Bzw. ist das ein grundsätzlicher Nachteil geschlossener Bauweise oder lediglich ein Nachteil bei nachträglichem Verschließen von Bassreflexports?

Der Nachteil des höheren Klirrfaktors besteht ebenso bei einem Tieftöner, welcher von seinen TSP (Thiele-Small-Parametern) her für geschlossene Gehäuse konzipiert wurde. Denn eine Optimierung der Parameter eines Tieftöners beeinflusst ja lediglich das Frequenzverhalten, welches man ja auch genauso gut elektronisch verändern kann (wie ich ja mit dem letzten Experiment im Videobeitrag gezeigt habe). Der Klirrfaktor im unteren Übertragungsbereich hängt rein von der Konstruktionsweise des Antriebes (Schwingsystem + Magnet) und vom mechanischen Hub ab. Ein ventiliertes System (Bassreflex, Transmissionline, Horn) hat bezüglich Klirrfaktor immer und unweigerlich Vorteile, weil beide Membranseiten des Tieftöners für die Schallabstrahlung genutzt werden. Der gesamte elektroakustische Wirkungsgrad damit ist schlicht größer. Es wird mehr elektrische Energie in akustische Energie umgesetzt. Der Tieftöner muss bei gleichem abgegebenen Schalldruck weniger mechanisch auslenken. Daher der geringere Klirrfaktor.

[Paffi]

Puh, @TBien, vielen Dank für den Erkläraufwand. Das war mal ein Brett - einen Teil davon verstehe ich auch
Was ich daraus mitnehme:

In der "Schnelligkeit" des Basses (auch, wenn es ihn nicht gibt ) besteht grundsätzlich (c.p.) kein Unterschied zwischen Bassreflex und geschlossenem Prinzip. Das ist einerseits beruhigend zu wissen, andererseits frage ich mich, woher diese "Weißheit" kommt. Ich nehme mich dabei nicht aus, hatte während meiner kleinen Testreihe auch immer das Gefühl, geschlossene Boxen sind "schneller". Aber das ist dann scheinbar tatsächlich nur auf den geringeren Tiefgang zurückzuführen. Und ich frage mich dann, warum überhaupt noch geschlossene Lautsprecher gefertigt werden: höherer Klirr, geringere Effizienz, höherer Konstruktionsaufwand. Aber das geht dann über dieses Thema hinaus...

[TBien]

danke Herr @T. Bien,

interessant, aber bitte erstens erklären was die Sprungantwort als Reaktion auf ein 0-1-Signal für uns praktisch bedeutet, in der Musik kommt das ja so nicht im entferntesten vor, oder?
falls es ums Nachschwingen geht, ist es nicht das, was in den Diskussionen immer wieder aufgeworfen wird ...

Sehr interessant, Ihre Fragen.

Zur ersten Frage:
Die Sprungantwort kann man sich als ein Rechtecksignal mit unendlich tiefer Frequenz vorstellen. Es ist nicht mehr als ein kurzes, dumpfes "Knack". Und Sie haben vollkommen Recht: Ein solches Signal kommt in der Musik so direkt eher nicht vor. Daher sind auch Rückschlüsse auf klanglich empfundene Vorgänge eher schwierig, aber trotzdem sehr hilfreich zum Verständnis der Ein- und Ausschwingvorgänge. Mir ging es bei meinem Videodreh ja lediglich darum, nachzuweisen, dass ein Bassreflex-unterstützter Tieftöner sowohl von der Theorie her als auch in seinem praktischen Betrieb eine mindestens ebenso saubere Wiedergabe von Impulsen ermöglicht wie bei einem geschlossenen Gehäuse.

weil zweitens, wie sieht's mit der Gruppenlaufzeit aus, das wäre (denke ich ) ja die Größe, die die gerne gestellte Frage der "Schnelligkeit" der Systeme charakterisiert, wie mehr oder weniger verzögert beispielsweise der Einschlag des Schlegels ins Fell der Trommel reproduziert wird?

Zur zweiten, auch sehr wichtigen Frage:
Ja, auch hier stimme ich mit Ihnen überein: Die Gruppenlaufzeit (als erste Ableitung der Phase nach der Zeit, auch "Group delay" genannt) ist die eigentlich entscheidende Größe für die Impuls-"Schnelligkeit" (wenn man im Bass überhaupt von "Schnelligkeit" sprechen kann, welche es ja eigentlich gar nicht gibt, denn im Tiefton handelt es sich immer um l a n g s a m e Vorgänge).
Und tatsächlich steigt die Gruppenlaufzeit mit Bassreflex-Unterstützung an. Jedoch steigt sie ebenso an, wenn der Tieftöner in einem geschlossenen Gehäuse sitzt, und man ihn elektronisch entzerrt (oder wenn die TSP des Tieftöners so sind, dass der Tieftöner auch ohne elektronische Entzerrung den selben Tiefgang produziert wie mit Bassreflex-Unterstützung).
Im Beispiel mit der nuBoxx B-40 kann ich jedoch "Entwarnung" geben: Die hier gemessene Group delay ist noch deutlich unter der Hörschwelle, wird bei solchen Werten also noch nicht als Verzögerung wahrgenommen. Der maximale Wert im Falle der B-40 liegt bei 12 Millisekunden laut meiner Messung bei etwa 40 Hz. Oberhalb von 40 Hz ist es deutlich weniger. Gerne kann ich bei Bedarf auch mal die Messkurven zeigen.

[Wete]

Die Sprungantwort kann man sich als ein Rechtecksignal mit unendlich tiefer Frequenz vorstellen.

Die elektrische Darstellung des Signals verstehe ich. Die Darstellung dessen, was Sie als "Beschleunigung" der Membran bezeichnen, hingegen nicht. Müsste die Membran bei diesem elektrischen Signal nicht ausgelenkt bleiben (es handelt sich bei einer unendlich tiefen Frequenz ja um eine Gleichspannung, wenn die unendlich steile Flanke angestiegen ist)? Das Abfallen, das sich dann zum Unterschwinger weiterentwickelt, zeigt doch den Rückkehr der nicht angetriebenen Membran zum Nullpunkt (und etwas darüber hinaus), oder? Diesen Teil habe ich noch nicht verstanden.

[schlosserrichi]

Sehr schön, Technik satt in Videoform, bitte mehr davon


Möchte doch zu Folgendem noch meinen Senf dazu geben; falls hierzustrangs unpassend, bitte einfach löschen/verschieben:

Und ich frage mich dann, warum überhaupt noch geschlossene Lautsprecher gefertigt werden: höherer Klirr, geringere Effizienz, höherer Konstruktionsaufwand. Aber das geht dann über dieses Thema hinaus...

Der Boxenbau an sich ist viel einfacher als bei belüfteten Systemen, vor allem bei Hohlkammersystemen oder Bassreflexkonstruktionen mit mehreren Rohren. Sowohl im Sinne der Berechnung im Voraus als auch dem Material- und Fertigungsaufwand bei der Produktion.
Man braucht bei geschlossenen Subwoofern im Prinzip nur ein für das jeweilig zu verbauende Chassis ausreichend großes Gehäuse bauen, hängt eine ausreichend leistungsfähige Endstufe hinten dran, fertig. Hat Bumms, kann recht laut und bei sehr großem Gehäuse und Chassis auch ordentlich tief und hat noch dazu folgende Vorteile:
-Kein "Wo setze ich das/die Bassreflexrohre",
-kein "Welche Maße sollte/n das/die Bassreflexrohr/e haben" und
-keine eventuelle Unterteilung in Kammern, samt deren Berechnung und Fertigung, nötig.
Einzig, dass das geschlossene Gehäuse bei gleichem Chassis größer sein muss als bei belüfteter Bauweise, könnte man als Mehraufwand (aus der Sicht des Boxenbauers) gelten lassen.

Will sagen, jeder Hansdampf, der ein paar Spanplatten zusammenspaxen kann, kann sich einen ordentlich scheppernden geschlossenen Subwoofer bauen.
Bei belüfteten Systemen dagegen muss man schon mehr können und wissen, sonst kommt ein hörbar schnaufender Würfel, der mehr Eigenvibration als eine Rüttelplatte aus dem Straßenbau hat, heraus.

[TBien]

Die Sprungantwort kann man sich als ein Rechtecksignal mit unendlich tiefer Frequenz vorstellen.

Die elektrische Darstellung des Signals verstehe ich. Die Darstellung dessen, was Sie als "Beschleunigung" der Membran bezeichnen, hingegen nicht. Müsste die Membran bei diesem elektrischen Signal nicht ausgelenkt bleiben (es handelt sich bei einer unendlich tiefen Frequenz ja um eine Gleichspannung, wenn die unendlich steile Flanke angestiegen ist)? Das Abfallen, das sich dann zum Unterschwinger weiterentwickelt, zeigt doch den Rückkehr der nicht angetriebenen Membran zum Nullpunkt (und etwas darüber hinaus), oder? Diesen Teil habe ich noch nicht verstanden.

Ja, richtig. Die Membrane bleibt bei einem Sprungsignal ausgelenkt. Zum besseren Verständnis stelle ich hier die Sprungantwort der Membranauslenkung dar:

Die drei Kurven zeigen den zeitlichen Verlauf der Sprungantwort bei drei verschiedenen Dämpfungen der Resonanzfrequenz des Tieftöners, welche im folgendenen Diagramm (aus meiner Diplomarbeit an der FH Düsseldorf) dargestellt sind:

Jetzt sind wir also wieder bei der Darstellung des Frequenzgangs. Die Dämpfung der Resonanzfrequenz wird durch den Faktor "Q" (auch als Q-Faktor bezeichnet) charakterisiert.

Gehen wir nun zurück zur Darstellung des Zeitverlaufs: Ist der Q-Faktor größer als 0,5, dann ergibt sich bei der Sprungantwort der Membranauslenkung ein Überschwinger. Aber Achtung: Der zeitliche Verlauf der Membranauslenkung ist nicht gleichzusetzen mit dem zeitlichen Verlauf des Schallpegels!

Wer alles aufmerksam mitverfolgt hat, dem ist nun auch (hoffentlich ) klar, dass die Membranbeschleunigung -welche zum Schallpegelverlauf proportional ist - auch beim idealisierten Schallwandler IMMER irgendwann negativ sein muss:

Ein "nachwabbeln" (lustiger Begriff nebenbei ) - also ein wieder zurückschwingen in den positiven Bereich - entsteht jedoch nur dann, wenn der Amplitudenfrequenzgang bei der Resonanzfrequenz (s. Bild 2) eine Überhöhung zeigt. Dies ist dann der Fall, wenn der Q-Faktor Werte oberhalb von 0.5 aufweist. Der Q-Faktor von 0,5 wird deshalb in der Regelungstechnik als "aperiodischer Grenzfall" bezeichnet.

Ist Ihre Frage damit hinreichend beantwortet?

[Nubigeschwader]

Ich kann mir nicht mehr vorstellen, dass es auf diesem Planeten ein besseres Herstellforum gibt wie dieses.
Wirklich kaum zu fassen, dass es sowas wirklich noch gibt in dieser Zeit.
Einzigartig klasse.
Danke dafür an alle Ober Nubis.
Alleine aus diesem Grund alleine schon, werden nun meine nächsten Nubis wieder Nubis.
Danke an T.Bien für die unglaublichen Details, auch wenn ich nur die Hälfte davon verstehe. Ich weiß nun trotzdem, dass ich dem Ober Nubi blind vertrauen kann.
Nichts für ungut und danke nochmals.

[DukeNukem]

Verstehe ich das richtig?

Ein mit einem Bassreflexrohr versehendes Gehäuse funktioniert immer nach dem Feder / Masse Prinzip.

Wenn dieses Rohr undefiniert abgestimmt ist, passiert eigentlich gar nichts, Druckschwankungen heben sich durch phasiges und gegenphasiges Verhalten der Luftbewegung am Reflexrohr und Bewegung der Membran aus.

Folglich wäre selbst eine undefiniert abgestimmte Bassreflexbox im Klirrverhalten besser, als ein geschlossenes Gehäuse?

Erst durch gezieltes Abstimmen auf die Resonanzfrequenz erhalte ich die Tiefbasserweiterung.

Im geschlossenen Gehäuse haben wir im Prinzip auch ein Feder / Masse Prinzip, alleine schon durch den Treiber, nur in diesem Fall regt die Luft hinter der Membran das eingeschlossene Luftvolumen an, was zu stehenden Wellen führen kann.

Folglich brauche ich im geschlossenen Gehäuse einen höheren Dämpfungsaufwand durch Dämmmaterial etc?

Bzw. im Bassreflexgehäuse wäre zuviel Dämmung sogar schädlich, da ich die Wirkung des Resonators vermindere?
Ich brauche im Prinzip dieses "wabernde" Verhalten zwischen Rohr und Membran.