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Baßreflex-Kanäle

Baßreflex auf dem Prüfstand

von Dipl.Ing. F. Hausdorf, aus Elektor Plus Nr. 4 / 1986 Diese Urteile werden von Verfechtern geschlossener Boxen gegen das Bassreflexprinzip oftmals vorschnell ins Feld geführt. Dabei wird der Sache selten wirklich auf den Grund gegangen und der messtechnische Beweis für diese Aussagen angetreten. Dieser Artikel versucht, etwas mehr Licht in die verwirrenden Zusammenhänge zu bringen und zur Beseitigung von Vorurteilen beizutragen.
EinLautsprecher mit hohem Wirkungsgrad und gutem Impulsverhalten erfordert einen starken Antrieb und gleichzeitig eine möglichst geringe bewegte Masse. Je grösser die angreifende Kraft und je kleiner die zu bewegende Masse ist, desto grösser ist die Beschleunigung und desto schneller erreicht die Membran die geforderte Geschwindigkeit und kommt auch wieder zur Ruhe.
Bei Mittel- und Hochtönern, die nicht bei ihrer Eigenresonanz betrieben werden ist die Sache ganz einfach: Eine Preisfrage! Man wählt den Magneten so gross und die Masse von Spule und Membran so klein wie möglich durch den Einsatz moderner leichter Materialien. Der Basslautsprecher muss dagegen auch bei seiner Eigenresonanzfrequenz fs arbeiten. Wenn man da die bewegte Masse zu klein wählt, steigt fs zu stark an und damit auch die untere Grenzfrequenz. Nimmt man andererseits einen zu grossen Magneten, sinkt der QTS-Faktor, die Eigenresonanz wird also zu stark bedämpft. Man bekommt so einen Frequenzgang, der vom Mitteltonbereich an stetig abfällt. Damit hat der Basslautsprecher seinen Namen eigentlich nicht mehr verdient, es sei denn, man kompensiert den Abfall elektronisch.
Bild 1 zeigt den typischen Frequenzgang einer geschlossenen Box mit hoher Dämpfung. Bei 40 Hz ist der Schalldruck bereit um 8 dB abgefallen! Viel günstiger ist da schon die Kurve b, die bis 50 Hz fast konstant verläuft und dann steiler abfällt.
Es handelt sich dabei um eine Bassreflexabstimmung des gleichen Lautsprechers in dem gleichen Gehäuse.

Amplitudenfrequenzgang der Testbox a) geschlossene Box b) Bassreflexbox

Bassreflex - wie funktioniert das?
Denkt man sich in Bild 2a das Rohr fest verschlossen, hat man eine ganz normale geschlossene Box. Das eingeschlossene Luftvolumen übt eine federnde Kraft auf die Membran aus und bestimmt zusammen mit der Membranmasse und ihrer Aufhängung die Eigenresonzfrequenz fc.
Öffnet man jetzt das Rohr, wird bei jeder Membranbewegung die Luftmasse im Rohr hin und her bewegt. Das geschieht jedoch nicht direkt, sondern indirekt über das elastische Luftpolster des Boxenvolumens. Dieses schwingungsfähige System, das aus einem Volumen und einer Öffnung besteht, nennt man Helmholtzresonator. Jeder kennt den Ton, der entsteht, wenn man über den Hals einer leeren Flasche bläst. Die Tonhöhe hängt nicht von der Form des Flaschenbauchs ab, sondern wird nur bestimmt vom Verhältnis des Flaschenvolumens zu Länge und Querschnitt des Flaschenhalses.
An dem Feder-Masse-Modell in Bild 2b kann man sich verdeutlichen, was in einem Bassreflexgehäuse bei verschiedenen Frequenzen passiert:
  1. Bei schnellen Bewegungen der Membran bleibt die Masse in Ruhe, die Feder fängt die Bewegung auf. Wird die anregende Frequenz kleiner, beginnt auch die Masse Schwingungen auszuführen.
  2. Bei einer bestimmten Frequenz ist die Schwingung der Masse sehr viel stärker als die der anregenden Membran. Das ist der Resonanzfall. Diese Frequenz wird Tuningfrequenz fB genannt.
  3. Bei sehr kleinen Frequenzen folgt die Masse genau der Membran. Das gleiche Ergebnis würde man jetzt auch mit einer starren Verbindung anstelle der Feder erzielen.

Bewegt sich also die Membran bei sehr tiefen Frequenzen nach innen in die Box hinein, wird gleichzeitig die Luft aus dem Rohr herausgedrückt. Wegen der Gegenläufigkeit der Bewegung sprechen wir von 180°-Phasenverschiebung.
Bei hohen Frequenzen ist genau das Gegenteil der Fall: Während die Membran nach innen geht, bewegt sich die Luft ebenfalls nach innen, allerdings mit sehr viel kleineren Amplituden. Membran und Luft im Rohr haben jetzt eine Phasenverschiebung von 0 Grad. Zwischen diesen beiden Extremen, bei der Resonanzfrequenz fB, beträgt der Phasenwinkel 90°; wenn die Membran nach innen geht, folgt die Luft etwas verzögert nach. Im unteren Frequenzbereich bis ca. 150 Hz strahlen sowohl Membran als auch das Rohr Schall ab.
In Bild 3 ist der Schalldruckverlauf unmittelbar an der Rohröffnung (a) und an der Membran (b) mit einem Mikrofon gemessen worden. Man sieht, dass ab etwa 150 Hz der Einfluss der Öffnung sehr schnell abnimmt. In Kurve c ist die gemessene Phasendifferenz zwischen Lautsprecher und Rohröffnung aufgetragen. Nun könnte man befürchten, dass Phasendrehungen von 0° bis 180° zwischen Bassreflexöffnung und Lautsprecher zu starken Auslöschungen und Verfälschungen führen könnten.
Bevor wir dieser Sache nachgehen, müssen wir uns darüber klar werden, dass der Schall aus der Bassreflexöffnung Wellenlängen weit über 3 m hat. Der Zuhörer nimmt also in einigen Metern Entfernung die Summe beider Schallstrahler (Lautsprecher, Bassreflexöffnung) wahr. Selbst wenn der Schallweg von der Bassreflexöffnung 50 cm länger ist als der vom Lautsprecher zum Zuhörer, so stellt sich nur eine relativ geringe Phasendrehung ein. Sie ist vorhanden, aber es erfolgt noch lange keine Auslöschung. Bei so grossen Wellenlängen spielt es daher auch keine Rolle, ob die Öffnung sich an der Schallwand, der Seite oder gar an der Rückwand befindet
Bild 4 zeigt, was geschieht, wenn zwei Schallquellen (a und b) mit gleicher Frequenz und unterschiedlicher Amplitude und Phase (90°) Schall abstrahlen.
Es bildet sich in gewissem Hörabstand eine neue Schwingung c mit der gleichen Frequenz, mit grösserer Amplitude als a und leicht phasenverschoben gegenüber a.
Auslöschungen treten erst bei 180° Phasenverschiebung auf. Außerdem müßen die Amplituden dafür wenigstens annähernd gleich groß sein. Bei üblichen Baßreflexabstimmungen (bis 100 Hz) besteht in dieser Hinsicht keine Gefahr.
Die Resonanzfrequenz einer Baßreflexbox FB legt man dorthin, wo der Lautsprecher in der geschlossenen Box keinen Schall mehr abstrahlen kann, also tiefer als die Eigenresonanzfrequenz fc. In diesem Bereich regt der Lautsprecher den Resonator an, und der Frequenzbereich kann oft beträchtlich nach unten erweitert werden (Bild 5).
Genau hier setzen die Kritiker der Bassreflexboxen an, indem sie sagen: "Sobald in der Akustik eine Masse in Schwingung versetzt wird, verschlechtert sich das Impulsverhalten, da diese Masse zum Ein- und Ausschwingen eine gewisse Zeit braucht."
Das ist sicherlich richtig, die Frage ist nur, wie stark sich die Verfälschung in der Praxis auswirkt (s. Abschnitt: Impulsverhalten).

Unterhalb der Boxenresonanzfrequenz fB kann sich die Membran frei bewegen. Durch Rumpelgeräusche von Analog-Plattenspielern besteht die Gefahr des Aufschlagens der Schwingspule bei Lautsprechern, die nicht durch die Aufhängung im Hub begrenzt sind.

In den letzten Jahren ist sehr viel über Bassreflexboxen geschrieben worden. Man hat versucht, mit mathematischen Modellen dieses Thema zu erfassen. Da aber gerade das Bassreflexsystem besonders komplex ist, werden die Berechnungen zwangsläufig so kompliziert, dass sie eher Verwirrung stiften als Klarheit bringen, und letztendlich bleiben immer Zweifel, ob sich die Box auch wirklich so verhält, wie man es errechnet hat. Glaubwürdiger und nicht nur für einen elitären Kreis von Mathematikern nachvollziehbar, ist eine experimentelle Untersuchung der Unterschiede zwischen geschlossener und Bassreflexbox.

Zu Beginn muss man sich dabei genau überlegen, wie man bei so einer Untersuchung vorgehen will. Wollte man verschiedene Basstreiber mit unterschiedlichen Korbdurchmessern und Thiele/Small-Parametern nach den zahlreichen unterschiedlichen Bassreflexabstimmungsmethoden, die inzwischen gehandelt werden, aufbauen und untersuchen, wäre der Aufwand immens.

Deshalb wurde hier ein Basschassis mit 25 cm Korbdurchmesser ausgewählt, das gleichermassen für das geschlossene wie für das Bassreflexprinzip geeignet ist. Dieses Chassis wurde in einer säulenförmige Standbox, wie zur Zeit sehr beliebt, mit einem Nettovolumen von 91 l eingebaut. Die Bassreflexabstimmung wurde nach einen Näherungsverfahren (s. Kasten: Bassreflex-Berechnung) vorgenommen, das die freie Wahl des Boxenvolumens erlaubt. 91 l sind für ein 25-cm-Chassis (s. Thiele/Small-Parameter WS 26 SF) relativ viel, haben aber den Vorteil, dass man mit einer Einbaugüte von Qtc = 0,57 ein hervorragendes Impulsverhalten erzielt. Die beiden Bassreflexrohre sind verschliessbar, so dass kurz hintereinander ein Vergleich zwischen der geschlossenen und der ventilierten Box möglich ist.

Bekanntlich muss man sich ganz besonders in der Akustik vor Messfehlern und subjektiven Einflussfaktoren hüten, wenn man aussagekräftige Ergebnisse erzielen will. Damit die Fehlermöglichkeiten gering bleiben, wurden immer nur Vergleichsmessungen (geschlossen / Bassreflex) gemacht, so dass eventuelle Messfehler bei beiden Boxentypen auftreten mussten. Zum Beispiel wurde immer dieselbe Box und derselbe Lautsprecher verwendet. Wenn also die Gehäusewände mitschwingen (was sich nie völlig vermeiden lässt), so tritt diese Verfälschung bei beiden Boxentypen gleichermassen auf. Ausserdem wurde peinlichst darauf geachtet, dass keine Parameter (s. Beispiel Mikrofonposition, Boxenstandort, elektrische Eingangsleistung) bei vergleichbaren Messungen geändert wurden. Grundsätzlich wurden die Messungen im Freien durchgeführt, um Verfälschungen durch Raumresonanzen zu vermeiden.

Bild 6 zeigt die Impedanzkurve des Versuchslautsprechers im geschlossenen Testgehäuse.  Der erfahrene Boxenbauer erkennt schon hier, dass bei etwa 180 Hz eine stehende Welle (a/2)  vorhanden ist.
Diese muss unbedingt bedämpft werden und zwar mit einem dicken Pfropfen Dämpfungswolle genau in der Mitte der Box, da nur so diese Art von stehenden Wellen wirksam unterdrückt werden kann. Ein Auskleiden nur der Wände mit Dämpfungsmaterial jeglicher Art ist bei diesem Problem so gut wie wirkungslos.

In Bild 7 ist angedeutet, wie die Wolle angebracht wurde und in Bild 8 zeigt sich an der Impedanzkurve der Erfolg. Ausserdem erkennt man, dass die Resonanz bedämpft ist und in der Frequenz etwas tiefer liegt. Nun wird landauf landab gepredigt, dass man Bassreflexboxen nur an den Wänden bedämpfen darf. Sicherlich mindert Dämpfungswolle die Wirkung des Resonators, aber Bild 5 beweist, dass der gewünschte Effekt durch die Wolle nicht verlorengegangen ist. Eine Schalldruckerhöhung bei 50 Hz um 4 dB sind kein Pappenstiel. Immerhin müsste man bei einer aktiven Entzerrung dieser geschlossenen Box mehr als die 2,5-fache Leistung zuführen, um den gleichen Pegel zu erzeugen.

Warum die Wolle so wenig stört, lässt sich leicht erklären: In der Bassreflex- Öffnung und in einem gewissen Mündungsbereich weht ein regelrechter Wind, wenn der Resonator arbeitet. Dämpfungsmaterial, dort angebracht, würde die gewünschte Schwingung unterdrücken. In einiger Entfernung jedoch lässt die Luftbewegung schnell nach, so dass dort der Hohlraum ohne Schaden sogar recht stark ausgestopft werden kann. Sollte hier Unsicherheit bestehen, nur Mut zu eigenen Versuchen! Eine zu stark gestopfte Box entlarvt sich schnell durch fehlenden Tiefbass. Dämpfungsmaterial lässt sich jederzeit wieder entfernen.

Bassreflex-Berechnung
Separates .PDF Dokument

Vergleich der Messergebnisse

Phasendrehung

Da Tieftöner immer auch bei ihrer Resonanz betrieben werden müssen, drehen sie auch in geschlossenen Boxen in diesem Bereich (bis circa 200 Hz) die Phase. Bei ganz tiefen Frequenz kann  die Drehung bis 180 Grad betragen. Durch die Bassreflexöffnung kommt noch eine weitere Phasendrehung dazu.
Bild 10 zeigt die an der Testbox gemessene Erhöhung der Phasendrehung, wenn die Bassreflexrohre geöffnet werden. Bei 50 Hz zum Beispiel, beträgt die Phasendrehung bei der geschlossenen Box bereits fast 90 Grad.
Durch die Bassreflexabstimmung kommen nur weitere 20 Grad hinzu. Bei 80 Hz war eine zusätzliche Phasendrehung nicht mehr eindeutig messbar. Es muss bezweifelt werden, ob sich diese Erhöhung der Phasendrehung störend bemerkbar macht.

Impulsverhalten

Um das unterschiedliche Impulsverhalten (geschlossene Box / Bassreflex) zu untersuchen, wurden kurze Tonbursts bei 5 Hz, 80 Hz und 160 Hz dem Lautsprecher zugeführt. Zuerst waren die Rohre fest verschlossen, dann geöffnet. Mit dem Messmikrofon, das den gleichen Abstand (etwa 1 m) zum Lautsprecher wie zu den Bassreflexrohren hatte, wurde die Impulsantwort aufgenommen, anschliessend verstärkt und im Messcomputer gespeichert. Die theoretisch Überlegung, dass durch den angekoppelten Resonator eine Verschlechterung der Impulsverarbeitung erkauft wird, lässt sich tatsächlich eindeutig messtechnisch nachweisen.

 

In den Bildern 11 und 12 erkennt man, dass die Bassreflexbox bei 50 Hz und 80 Hz etwas langsamer einschwingt und die Ausschwinger länger und höher sind. Bei 160 Hz (Bild 13) ist kein Unterschied mehr erkennbar.

Man beachte, dass der Zeitmassstab bei den verschiedenen Frequenzen geändert wurde.

Bei 40 Hz und 80 Hz war bei der geschlossenen Box weniger Pegel am Mikrofon vorhanden (siehe Bild 5).

Um den Vergleich zu erleichtern, wurde am Mikrofonverstärker ein Pegelausgleich vorgenommen. Diese Messungen wurde im Freien gemacht.

Man darf gespannt sein, wie die Verhältnisse in einem guten Abhörraum sind (also bei wenig ausgeprägten Resonanzen im Bassbereich).
Die Bilder 14 und 15 zeigen eine dreidimensionale Darstellung des Ausschwingverhaltens der geschlossenen Box im Freien und in einem relativ resonanzarmen Hörraum. Die hintere Linie ist identisch mit dem wohlbekannten Frequenzgang der Amplitude. Man erkennt, dass diese im Hörraum durch Raumresonanzen sehr unruhig geworden ist, obwohl der Mikrofonabstand nur 1 m betrug. Weiterhin sieht man, dass im Freien nach wenigen Millisekunden der Pegel bei allen Frequenzen um mehr als 20 dB abgesunken ist, es bleiben nur unbedeutende Anteile - wahrscheinlich Schwingungen der Gehäusewände - zurück. Im Hörraum dagegen erkennt man die Box nicht wieder. Zwei Ausschwinger bei ca. 30 Hz und 70 Hz ziehen sich wie Bergrücken über das Bild.
Was aber noch viel gravierender ist: es dauert gegenüber dem Freifeld sehr viel länger, bis die Schallanteile um 20 dB abgefallen sind. Im normalen Hörabstand (3 m) dominiert der Raumhall noch viel stärker, so dass die 3-D-Darstellung zu verwirrend ist.
Was bleibt denn in diesem Abstand noch vom vorteilhafteren Impulsverhalten der geschlossenen Box übrig?
Nur am vergleichsweise etwas höheren ersten Impuls erkennt man noch, dass es sich in Bild 17 um die geschlossene Box und in Bild 16 um die Bassreflexbox handelt.
Schon nach wenigen Millisekunden mischt sich bei beiden der reflektierte Schall mit dem Direktschall und verformt die Kurvenform bis zur Unkenntlichkeit.
(Der Impuls hatte die gleiche Länge wie in Bild 12).
Wohlgemerkt, die Bedingungen waren in diesem Versuch noch günstig: Grosser, gut bedämpfter Raum, Entfernung des Lautsprechers von Boden und Wänden mindestens 1,5 m.

Klirrfaktor

In der letzten Zeit ist die Problematik des Klirrfaktors beim Basslautsprecher stärker in das Bewusstsein der Boxenbauer getreten. Da bei tiefen Frequenzen der Membranhub sehr stark zunimmt, andererseits aber der maximale, lineare Hub üblicherweise nur -/+ 3 mm beträgt, liegt der tatsächlich unverzerrt abgestrahlte Basspegel oft erschreckend niedrig. Interessant wäre zu wissen, wie hoch dieser maximale Schallpegel bei beiden Boxenprinzipien ist. Da im Tieftonbereich das Ohr für Verzerrungen nicht so empfindlich ist, wurde 5% Klirrfaktor als Grenze gewählt.
Tabelle A
30 Hz 40 Hz 50 Hz 60 Hz 70 Hz
geschloßen 86 dB 92 dB 95 dB 98 dB 101 dB
Baßreflex 95 dB 100 dB 105 dB 109 dB 109 dB

Aus der Tabelle A geht hervor, dass der maximale Schalldruck bei der Bassreflexbox beträchtlich höher ist, nämlich um 11 dB bei 60 Hz. Bei dieser Frequenz reichen schon 13 W aus, um den Lautsprecher in der geschlossenen Box an die Grenze der Linearität zu bringen. Wäre er theoretisch in der Lage, noch grösseren Hub zu machen, brauchte man die 10-fache Leistung (also 130 W), um auf den gleichen Pegel wie in der Bassreflexbox zu kommen. Wie ist das möglich? Wenn man bei 60 Hz bei Maximalpegel die geschlossene Box öffnet, fallen sofort zwei Dinge auf:
  1. Der Membranhub nimmt stark ab und
  2. die Box wird deutlich lauter.
Der Hub nimmt deshalb ab, weil die Membran an den schwingenden Resonator Energie abgibt und dadurch gebremst wird. Mit sinkendem Hub geht aber - wie erfreulich! - der Klirrfaktor ebenfalls stark zurück. Und lauter wird es deshalb, wie die Reflexöffnungen zusätzlich ganz kräftig Schallpegel abstrahlen. Da aber der Hub zurückgegangen ist, kann man mit der Eingangsleistung höher gehen, bis die 5%-Marke wieder erreicht ist (50 W). Das ist der Grund für den erstaunlichen Unterschied beim Maximalpegel.

Aber vielleicht noch wichtiger als der Klirrfaktor sind Doppler- und Intermodulations-Verzerrungen, die ja erst bei grossem Membranhub entstehen. Je weniger die Membran sich bewegen muss, desto sauberer klingen die gleichzeitig abgestrahlten höheren Töne, da sie nicht so stark vom tiefen Ton moduliert werden.

Fehlabstimmung

Wenn ein bestimmter Lautsprechertyp und auch ein Boxenvolumen vorgegeben ist, muss man ja für die Bassreflexbox die Tuningfrequenz und damit die Tunnelfläche und -länge festlegen. Nicht selten besteht Unsicherheit darüber, mit welcher Genauigkeit die Tunnellänge eingehalten werden muss. Welche Auswirkungen haben überhaupt verschiedene Rohrlängen auf den Frequenzgang? Was liegt näher, als das einfach mal auszuprobieren? Unsere Testbox wurde also in der bekannten Bassreflexabstimmung gemessen (Bild 18).

Nachdem die Rohre Zentimeter für Zentimeter abgeschnitten worden waren, und sich kaum ein Unterschied zeigte, wurden beide Rohre auf die Hälfte gestutzt.
Erwartungsgemäss ist der Tiefenabfall steiler geworden und die Tuningfrequenz gestiegen. Allerdings muss man sagen, dass bei einer derart grossen Abweichung der Rohrlänge der Unterschied im Frequenzgang überraschend gering ist.

Bei längeren Rohren passiert genau das Gegenteil. Der Bassabfall wird flacher und tendiert mehr zu geschlossenen Verhältnisse.

Die verstärkte Bassabstrahlung bei den kurzen Rohren geht allerdings einher mit einer Verschlechterung des Impulsverhaltens.
Ein Boxenbauer, dem das Impulsverhalten besonders wichtig ist, sollte im Zweifelsfall die Rohre etwas länger wählen.
Immer wieder hört man, dass auch Bassreflexboxen sehr sorgfältig abgedichtet werden müssen, da sich sonst der QL-Wert ändert. Um den Einfluss eines Lecks in der Testbox zu testen, wurden zwei Löcher mit je 8 mm Durchmesser in die Schallwand gebohrt und der Frequenzgang mit und ohne Lecks gemessen (Bild 19). Den Unterschied kann man allerdings nur erahnen.

Fazit

Die gut abgestimmte Bassreflexbox ist sicher sehr viel besser als ihr Ruf. Dem theoretisch wie messtechnisch nachweisbaren geringen Nachteil im Impulsverhalten, sowie einer möglichen mechanischen Überbelastung im Subsonic-Bereich, stehen sehr gewichtige Vorteile gegenüber:
  • Selbst bei Lautsprechern mit starkem Antrieb (kleiner QTS-Faktor) kann der starke Bassabfall vermieden werden.
  • Harmonische, Intermodulations- und Dopplerverzerrungen werden reduziert (besonders wichtig in 2-Weg-Kombinationen).
  • Der maximale, unverzerrt abgestrahlte Basspegel ist sehr viel höher.
Für den unerfahrenen Boxenselbstbauer ist der Bau einer Bassreflexbox kein Problem, wenn er sich genau an einen guten Bauvorschlag hält. Für denjenigen, der schon mehr Erfahrungen hat, bietet die Bassreflexbox mehr Möglichkeiten, durch Änderung der Parameter (Tuning-Frequenz, Boxenvolumen, Bedämpfung), den Lautsprecher den ganz persönlichen Vorstellungen und vor allem den räumlichen Bedingungen anzupassen.

Dipl.Ing. F. Hausdorf ist technischer Leiter der Firma VISATON, 42781 Haan (mittlerweile -2011- Pensionär)