TechTalk No8

TechTalk No8 03-05.2011

Willkommen beim TechTalk - dem regelmäßig erscheinenden Newsletter von ari acoustics. TechTalk erläutert technische Grundlagen und Hintergründe und stellt neue Produkte vor. TechTalk soll auch zur Diskussion anregen. Schreiben Sie uns Ihre Anregungen, Fragen und Korrekturen.

TechTalk No1:
Welche Lautstärke soll eine Hifi-Anlage im Hörraum bzw. an der Position des Hörers im Hörraum erzielen?

TechTalk No2:

Welche Lautsprecher und Verstärker benötige ich für Hifi-gerechte Lautstärke in meinem Raum?

TechTalk No3:

Welchen Einfluss hat das Bündelungsverhalten meines Lautsprechers und das Absorptionsverhalten des Hörraumes auf Lautstärke und Frequenzgang?

TechTalk No4:

Welche Verstärkerleistung verkraftet mein Lautsprecher - Elektrische Belastbarkeit von Lautsprechern

TechTalk No5:

Interview mit Allen Isaaksen, Chef von Wavecor

TechTalk No6:

Basswiedergabe in Wohnräumen und Auslegung eines Subwoofers mit dem Wavecor SW182BD01/02

TechTalk No7:

Aero2D - die strömungsgünstige Bassreflexöffnung

TechTalk No8:

Die HDSP-Line – mit High End Digital Signal Processing zur optimalen Basswidergabe


Übersicht:

Heutige Subwoofer sind mit ihren steifen Membranen und starken Magnetantrieben außerordentlich leistungsfähig. Werden sie durch starke Schaltverstärker angetrieben, so erreichen sie beeindruckende Schallpegel. Dabei wird eine sehr tiefe untere Grenzfrequenz bei kleinen Gehäuseabmessungen erreicht. Gute Subwoofer machen richtig Druck – aber klingen sie auch „musikalisch“?

Musikalisch ist hier ein wichtiger Punkt. Beim Heimkino ist in erster Linie der ausreichende Schalldruck in den tiefsten Lagen entscheidend. Für eine überzeugende Musikwidergabe ist dagegen ein ausgeglichener Frequenzgang wichtig. Zudem spielt das zeitliche Verhalten, das korrekte Timing, für ein bruchloses Zusammenspiel mit den Satellitenlautsprechern eine entscheidende Rolle.

Hier kommt die Raumakustik mit ins Spiel – und zwar gewaltig! Im folgenden TechTalk8 soll aufgezeigt werden, wie bedeutend die Raumakustik ist und welche Möglichkeiten durch die Digitale Signalbearbeitung gegeben sind.

1. Subwoofer mit dem Wavecor SW223BD01

Start der Betrachtung ist ein kompakter Subwoofer mit 27l Innenvolumen und zwei Passivmembranen. Die optimale Konfiguration für einen tiefreichenden bass aus kleinstem Gehäuse. Die Auslegung erfolgt entsprechend TechTalk No6.

Vor- und Nachteile von Bassreflexsystemen mit Passivmembran (BRP)

+ niedrige Bassreflexabstimmung in sehr kleinen Gehäusen

+ geringere Verzerrungen (bei ausreichender Membranfläche der Passivmembran)

+ keine Strömungsgeräusche

- höhere Kosten als ein Bassreflexsystem mit gleicher Auslegung

- Überlastung der Passivmembran durch zu große Auslenkung möglich

Auslegung des BRP

Das BRP arbeitet wie ein Bassreflexsystem, wobei die Passivmembran die Aufgabe des Bassreflexkanals übernimmt. In der Impedanzkurve sind wie beim Bassreflexsystem zwei Impedanzspitzen sichtbar. Die Abstimmung wird durch Gewichte erreicht die an der Passivmembran befestigt werden. Durch diese Art der Abstimmung kann die Gehäusegröße in weiten Grenzen frei gewählt werden. Dies verdeutlichen die folgenden zwei Rechnungen


Die Simulation eines BRP mit 27 l Volumen und zwei Passivmembranen PR223 führt auf den in Bild 1 dargestellten Frequenzgang. Bereits ohne elektronische Eingriffe wird eine untere Grenzfrequenz von rund 22 Hz erreicht.

Der Schalldruckverlauf mit Korrekturfilter zeigt Bild 3. Bei 26Hz werden maximal 98 dB erreicht und eine untere Grenzfrequenz von 24Hz (-6dB zum Spitzenpegel!). Der hierzu notwendige Spannungsverlauf an der Ausgangsklemme des Verstärkers zeigt Bild 2. Wie bei den bisherigen Rechnungen auch, wird die Tiefbassanhebung durch ein steilflankiges Subsonicfilter begrenzt. Trotzdem ist auch hier die maximale Auslenkung der Membranen von Tieftöner und Passivmembran zu beachten. Um die angestrebte Tieftonleistung sicher zu stellen, müssen 2 Passivmembranen verwendet werden. Die Auslenkung der Membranen zeigt Bild 4. Trotz Verwendung zweier Passivmembranen erreichen diese eine beachtliche Auslenkung von 12 mm! Die Passivmembranen verdoppelt die abstrahlende Membranfläche wodurch der maximale Schallpegel um 2dB – 3dB auf 105dB erhöht wird. Damit ist der Subwoofer für die Anwendungen, bei denen es nicht auf brachialen Schalldruck ankommt, ausreichend dimensioniert.

Bild 1: Schalldruckverlauf SW223BD01 in 27l Bassreflex Gehäuse mit 2 Passivmembranen, Fbr = 26Hz. 2 Watt Eingangsleistung. Raumvolumen 62cbm (25qm, 2.5m Raumhöhe).

Bild 2: Spannungsverlauf des elektrischen Korrekturfilters bei 200W Verstärkerleistung.

Bild 3: Schalldruckverlauf mit 2 Passivmembranen und elektronischem Filter zur Bassanhebung und Tiefbassbegrenzung. Raumvolumen 62cbm (25qm, 2.5m Raumhöhe).

Bild 4: Auslenkung der zwei Passivmembranen (blau) und der Lautsprechermembran (rot). Die Membranauslenkung wird zu tiefen Frequenzen hin durch das steilflankige Subsonicfilter begrenzt

Soweit die Theorie. Die gemessenen Frequenzgänge des Systems ohne Raumeinfluss zeigt Bild 5. Der bis 24Hz reichende Frequenzgang entspricht dem Simulationsergebnis. Der Frequenzgangabfall darunter sich jedoch deutlich steiler, da kein Raumeinfluss zu einer Tiefbassanhebung führt. Wie die Simulation zeigt auch die Messung, dass die Passivmembranen nur im Bereich unterhalb 40Hz deutlich zur Widergabe beitragen.

Bild 6 zeigt die gemessenen Verzerrungen bei 90dB Schallpegel. Die Verzerrungen, insbesondere die klanglich problematischen K3 Verzerrungen, sind herausragend gering. Das Chassis ist bi 1kHz absolut störungsfrei und ohne Resonanzen! Hier zeigen sich die Vorteile des Balanced –Drive Antriebs und der aufwändigen Linearisierungsmaßnahme (die ein großes Magnetsystem und enge Fertigungstoleranzen erfordern und den Preis des Chassis erklären).

So weit so gut – Aber wie verhält sich der Subwoofer im Raum?

Bild 5: SW223 mit 2 Passivmembranen im 27l-Gehäuse. Grün: Frequenzgang des Systems, Schwarz: Frequenzgang des Tieftöners, Blau: Frequenzgang der Passivmembranen.

Bild 6: Verzerrungsverhalten bei 90dB Schallpegel (4.9V). Grau: K2, Rot: K3.


2. Subwoofer im Raum

Für die Widergabe des Bassbereichs ist nicht nur der Subwoofer, sondern auch der Raum und die Aufstellung entscheidend. Es gibt viele Abhandlungen über die ideale Platzierung des Subwoofers und die Optimierung der Raumakustik und es ist ganz klar, dass die optimale Platzierung in einem optimalen Raum der Königsweg zum guten Klang ist. Aber in der Regel gibt es in einem Wohnzimmer bei dessen Möblierung die gesamte Familie mitdiskutiert nicht sehr viele Möglichkeiten des Subwoofer zu platzieren. Ein Umbau des Wohnzimmers nach akustischen Gesichtspunkten ist aus denselben Gründen auch meist nicht möglich. Es bleibt also nur die optimale Abstimmung des Lautsprechers auf den Raum und den Ort der Aufstellung. Das soll im Folgenden betrachtet werden.

Bild 7 zeigt den an der Hörposition gemessenen Frequenzgang des Subwoofers. Dieser ist in der Mitte an der schmalen Seite des Hörraums platziert. Der Hörraum ist 25qm groß und auch im Bassbereich sehr gut bedämpft (Bild 8). Die akustischen Gegebenheiten sind also deutlich besser als in den meisten Wohnzimmern. Wird der Lautsprecher ohne Frequenzweich betrieben (lila Kurve), so ergibt sich durch den tiefbass-verstärkenden Raumeffekt eine untere Grenzfrequenz von 20Hz! Allerdings führt dieser im Bereich von 50Hz bis 80Hz eine Überhöhung von 8dB. Diese ist sehr deutlich hörbar und dominiert den Bassbereich. Zudem ergibt sich eine Überhöhung der unteren Mitten um ebenfalls 8dB. Dies beeinträchtigt den Übergang zum Satelliten. Der Frequenzgang am Hörort im Raum hat also mit dem Frequenzgang des Lautsprechers nicht sehr viel zu tun. Der Lautsprecher liefert nur die Basis, die Modulation übernimmt der Raum. Durch konventionelle Filter, die lediglich als Subsonicfilter oder Tiefpassfilter wirken, ist dies nicht in den Griff zu bekommen (grüne Kurve). Eine korrekte Anpassung erfordert ein exakt abgestimmtes Korrekturfilter. Was mit dem Hypex DSP-Verstärker möglich ist zeigt die rote Kurve. Ein solchermaßen ausgeglichener Bassbereich wirkt sich klanglich sehr deutlich aus. Er ist zurückhaltend und nicht dominierend, perfekt integriert und abgrundtief. Er wird natürlich nicht gewaltiger und beeindruckender, sondern feiner, exakter und musikalischer.

Natürlich ist die elektronische Korrektur kein Allheilmittel. Die Korrektur gilt natürlich nur in einem begrenzten Bereich rund um die Messposition und nicht im ganzen Raum. Zudem kann die Korrektur nicht alle Frequenzgangfehler, sondern nur minimalphasige Frequenzgangfehler beseitigen. Doch dazu mehr in den folgenden Kapiteln.

Bild7: Frequenzgang des Subwoofers in einem 25qm Hörraum, geglättet mit 1/6 Oktave. Lila: Breitbandige Ansteuerung ohne Frequenzweiche; Grün: Ansteuerung mit Subsonicfilter (20Hz, 24dB/Oktave) und Tiefpass (150Hz, 24dB/Oktave); Rot: Ansteuerung mit komplexem Korrektufilter.

Bild 8: RT30-Nachhallzeit des Hörraums. Ungewöhnlich stark bedämpfter Hörraum bis in den Bassbereich.


3. Ermittlung eines Korrekturfilters

Um ein geeignetes Korrekturfilter zu finden soll erst mal das Verhalten des Lautsprechers im Raum etwas näher analysiert werden. Hierzu wird die ungeschminkte Wirklichkeit betrachtet und der ungeglätteten Frequenzgang mit ausreichender Frequenzauflösung (kleiner 2Hz) herangezogen.

Bild 9 zeigt den ungeglätteten Frequenzgang mit Subsonicfilter bei 20Hz und einem Tiefpassfilter mit 24dB/Oktave Flankensteilheit bei 150Hz. Dies entspricht eine typischen Konfiguration mit konventionellem Subwooferverstärker. Deutlich zu erkennen sind scharfe Einbrüche und etwas breitere Überhöhungen. Mit zunehmender Frequenz folgen Überhöhungen und Einbrüche immer dichter aufeinander. Die Frage ist also: Welche „Unregelmäßigkeiten“ sollen mit den elektronischen Filtern korrigiert werden?

Bild 9: Ungeglätteter Frequenzgang eines Subwoofers im Raum. Subsonicfilter bei 20Hz und Tiefpassfilter bei 150Hz, jeweils 24dB/Oktave Flankensteilheit

Einen ersten Hinweis gibt Bild 10. Dieses zeigt den Frequenzgang direkt zum Zeitpunkt der Schallabstrahlung und in definierten Zeitabständen danach. Es zeigt also wie schnell der Schall im Raum abklingt – je schneller, desto konturierter und trockener klingt der Bass. Bei genauer Betrachtung fällt auf, dass bei den tiefen Einbrüchen bei 28Hz und 38 Hz in den ersten Millisekunden der Schall gar nicht abfällt sondern sich verstärkt. Auch danach klingt der Schall nur recht langsam ab. Dies mahnt zur Vorsicht. Würde man diesen schmalen Frequenzbereich stark anheben, so würde man ein verbessertes Messergebnis mit einer länger anhaltenden Resonanz „bezahlen“. Zudem benötigt man eine enorme Verstärkerleistung und überlastet den Lautsprecher. Kurz und gut: Finger weg von schmalbandigen Frequenzgangeinbrüchen. Anders sieht es bei den Frequenzgangüberhöhungen aus. Bei der vorliegenden Messung fällt im Frequenzbereich zwischen 50Hz und 75Hz der Schalldruck schön schnell ab. Dieser Bereich ist also zwar etwas vorlaut, macht sonst aber keine Probleme. Der Frequenzgang kann korrigiert werden.

Bild 10: Abklingen des unkorrigierten Subwoofers. Subsonicfilter bei 20Hz und Tiefpassfilter bei 150Hz, jeweils 24dB/Oktave Flankensteilheit

Eine etwas andere Darstellung derselben Sachverhalte zeigt das Sonogramm in Bild 11. Die horizontale Achse stellt die Frequenz dar, die vertikale Achse die Zeit und die Farbe kennzeichnet den Schalldruck. Gebirgszüge die weit nach oben reichen kennzeichnen eine länger anhaltende Resonanz, eine ungleichmäßige Farbgebung einen unregelmäßigen Schalldruck. Bei den allertiefsten Frequenzen ist der Schalldruckabfall etwas geringer als im Mitteltonbereich. Dies ist eine Folge der geringeren Bedämpfung des Hörraumes in diesem Bereich (im Vergleich zum sehr stark bedämpften Mittelton- und oberen Bassbereich).

Bild 11: Sonogramm des unkorrigierten Subwoofers

Eine etwas mathematischer abgeleitete Analyse zeigt Bild 12. Dargestellt ist der frequenzabhängige Phasenverlauf beziehungsweise die hierdurch verursachte Gruppenlaufzeit des Signals. Bei einem minimalphasigen System hängt dieser Phasenverlauf direkt mit dem Frequenzgang zusammen. Wird der Frequenzgang mit minimalphasigen Filtern korrigiert, so korrigiert sich der Phasenverlauf mit. Ein vollständig minimalphasiges System kann kann mit minimalphasigen Filtern vollständig korrigiert werden. Alle Filter der DSP-Sektion des Hypex Verstärkers sind solche minimalphasigen Filter.

Ein Subwoofer ist ein solch minimalphasiges System. Im Hörraum können aber zusätzliche, zeitverzögerte Reflexionen auftreten, die Phasenstörungen hervorrufen. Diese Zusatzphase wird auch als „excess phase“ bezeichnet und verursacht eine zusätzliche excess Gruppenlaufzeit. Diese kann mit minimalphasigen Filtern nicht korrigiert werden. Bild 12 zeigt nun diese excess Gruppenlaufzeit im Bereich um 38Hz und um 120Hz auf. Dies sind die Bereiche kräftiger Senken, die nicht korrigiert werden können. Bild 12 unterstützt also die Analyse von Bild 10 und Bild 11 – so sollte es ja auch sein.

Die Aufstellung eines Subwoofers mit aktiver Entzerrung sollte so sein, dass die Wiedergabe möglichst vollständig minimalphasig ist – unabhängig vom resultierenden Frequenzgang. Dieser wird dann eben mit minimalphasigen Filtern korrigiert. Hierdurch ergibt sich dann der korrekte Frequenz- und Phasengang.


Bild 12: Phasengang an der Hörposition (lila) und excess phase (schwarz)


Nun ist die Korrekturstrategie also klar: Korrektur der Peaks. Das Ergebnis eines ersten Versuchs zeigt Bild 13. Die Spitzen sind abgesenkt und der Frequenzgang entspricht wesentlich besser dem gewünschten Verlauf. Bild 14 und Bild 15 zeigt das hervorragende Abklingverhalten. Lediglich das etwas verzögerte Ausschwingen im Bereich um 40Hz tritt etwas mehr in Erscheinung.

Bild 13: Frequenzgang mit Korrekturfilter, blau: Zielfrequenzgang (relevant ab 20Hz), gelb: gemessener Frequenzgang.

Bild 14: frequenzangängiges Abklingverhalten des korrigierten Lautsprechers

Bild 15: Sonogramm des korrigierten Lautsprechers. Verzögertes Ein- und Ausschwingen bei 38Hz.

Bild 16 zeigt den Frequenzgang bei etwas modifiziertem Korrekturfilter. Hier wurde die Anhebung des Bereichs um 40Hz schmalbandig reduziert. Der gemessene Frequenzgang ist nicht ganz so glatt, das Abklingverhalten aber etwas harmonischer. Dies zeigt Bild 17 und Bild 18.

Bild 16: korrigierter Frequenzgang. Anhebung bei 38Hz reduziert. Übernahme zum Satelliten bei 90Hz mit 12dB/Oktave.


 

Bild 17: frequenzabhängiges Abklingverhalten des korrigierten Subwoofers.

Bild 18: Sonogramm des korrigierten Subwoofers. Verzögertes Einschwingen bei 38Hz, gleichmäßiges Ausschwingen im gesamten Bereich.


4. Hörtest:

Zuletzt noch eine kurze Klangbeschreibung. Nachdem der Pegel von Subwoofer und Satelliten angepasst wurde, klingt der Bassbereich unspektakulär, sauber und wirklich abgrundtief. Wirklich wesentlich ist die Korrektur des vorlauten Oberbasses. Die klanglichen Unterschiede der zwei untersuchten Korrekturfilter sind dabei minimal. Wenn Eric Clapton auf seiner unplugged CD mit dem Fuß auf die Bühne tippt, so macht der Lautsprecher diese tiefen Töne sehr deutlich hörbar. Absolut grandios ist die verzerrungsarmut der Basswidergabe.

Für mich persönlich habe ich den Tiefbassbereich zwischen 30Hz bei 20 Hz um 3dB abgesenkt, indem ich ein etwas flacher einsetzendes Subsonicfilter verwendet habe. Dies ist aber natürlich reine Geschmacksache.

Der Maximalpegel des Subwoofers ist in der hier vorgestellten Variante auch für eine Partybeschallung ausreichend groß. Er ist aber nicht grenzenlos. Extremer Tiefgang und Brachialpegel kann ein einzelner 22cm Tieftöner einfach nicht darstellen, selbst wenn er durch zwei Passivmembranen unterstützt wird. Wer maximalen Schalldruck sucht, muss die untere Grenzfrequenz um eine halbe Oktave nach oben setzen, einen deutlich größeren Subwoofer einsetzten oder ein zweites Subwoofermodul bauen. Letzteres bietet sich ganz besonders an, wenn das Hypex Modul PSC2.400 mit seinen zwei Endstufen verwendet wird. Der Heimkinofan greift dabei zum ari acoustics Subwooferset SubPerfect-223Ultra, der Musikliebhaber, der auf die allertiefsten Frequenzen verzichten kann zum SubPerfect-223.

Der Nachteil dieser Systeme ist: Suchtgefahr!!! Wenn man erst mal eine halbe Stunde Musik mit korrigiertem Bass gehört und sich an den unspektakulären aber immer klar kontourierten Klang gewöhnt hat, kann man sich für nichts mehr anderes begeistern. Es entsteht höchstens der Wunsch nach noch mehr.- Oder Sie greifen gleich zum SubPerfect-312 oder SubPerfect-312Ultra. Mit den in TechTalk No6 gezeigten Auslegungsprinzipien, der Bassreflexkonstruktion nach TechTalk No7, der in diesem Beitrag gezeigten Raumanpassung und den im TechTalk No9 diskutierten Multi-Subwoofer Systemen landen Sie geradewegs im HighTech-Tiefbasshimmel.

Viel Spaß dabei wünscht Ihnen Ihr

Markus Beck
ari acoustics