TSP-Konverter

Ein Lautsprecher regt die umgebene Luft über die Fläche seiner Membran an. Dabei ist zu bedenken, dass der Strahlungswiderstand unterhalb der Kreisfrequenz seiner Menbran (Schallgeschwindigkeit/Umfang der Menbran) von der Menbranfläche, dem Hub und dem Quadrat der Fequenz abhängig ist.

Für einen geschlossenen Lautsprecher gilt näherungsweise:
Lp=20*log10(0.37*a*Sd*F^2)

Man sieht, dass bei halber Frequenz das vierfache Luftvolumen verdrängt werden muss, um den gleichen Pegel zu erzeugen. Die Aufgabe des Subwoofers ist es also, möglichst viel Luftvolumen zu verschieben. Um tiefe Frequenzen abstrahlen zu können, braucht man also mit sinkender Frequenz immer mehr Fläche und/oder Hub.

Eine Refelx-, TL-, Horn- oder sonstige offene Konstruktion kann zwar in bestimmten Bereichen zusätzlichen Schalldruck erzeugen, jedoch nicht ohne Nebenwirkungen! Oft werden die Gehäusekonstruktionen dann sehr komplex oder zu gross. Auch der Frequenzgang ist dann oft wellig. Bei hohen Pegeln neigen offene Kostruktionen gerne zu sehr störenden Nebengeräuschen, sie sind anfällig auf subsonische Frequenzen und weisen oft auch ein deutlich schlechteres Ein-/Ausschwingverhalten auf. Ein Passiv-Strahler anstelle einer Reflexöffnung kann zwar die Strömgeräusche praktisch ausschliessen, bringt in der Kostenrechnung der Gesamtkonstruktion jedoch oft keine deutlichen Vorteile gegenüber einem zweiten aktiven System.

Letztlich hilft nur Fläche und/oder Hub.
Schalten man 2 aktive Systeme zusammen, so erhällt man die doppelte Fläche und somit über den besseren Strahlungswiderstand einen Gewinn von 3bB. Bei Parallelschaltung der Systeme kann der Verstärker die doppelte Leistung abgeben, so dass sich ein Gewinn von 6dB ergibt. Bei nur einem aktiven System müsste man für diese 6dB den Hub verdoppeln. Der Verstärker müsste die doppelte Spannung und damit die 4fache Leistung aufbringen. Damit wird schnell klar, warum man bei manchen Subwoofern Verstärker mit bis zu 1kW verwendet. Wenn es möglich ist, sollte man also lieber die Fläche erhöhen als den Hub.
Im Tieftonbereich sind fast alle üblichen Membranen als genügend steif anzusehen und somit näherungsweise frei von Eigenschwingungen. Der Klirrfaktor ist jedoch oft deutlich vom Hub abhängig. Auch dies spricht eher für eine grosse Fläche.
Schliesslich spielt auch die Ankopplung an den Hörraum eine Rolle. Resonanzen des Raumes werden weniger stark angeregt, wenn man den Raum an mehreren Stellen über eine grosse Fläche anregt.
Entscheidet man sich für 2 aktive Systeme, so sollte man diese an den gegenüberliegenden Seiten der Box anbringen. Die Schwingungsübertragung auf das Gehäuse wird so dramatisch reduziert, da ja beide Systeme gleichzeitig mit gleicher Kraft drücken oder ziehen.


Systeme mit grosser aktiver Fläche benötigen aber in der Regel auch ein recht üppiges Gehäusevolumen. Wird es zu klein, schiebt sich die Reseonazfrequenz nach oben, der Druck bei tiefen Frequenzen wird geringer. Teilweise ergibt sich auch ein deutlicher Buckel im Bereich der Resonanzfrequenz und ein entsprechend schlechtes Ein-/Ausschwingverhalten. Mit Hilfe einer geeigneten Kompensation lässt sich dieses Problem bei aktiven Systemen allerdings sehr geschickt lösen. Sind die Parameter der Komponenten bekannt, kann man mit genau invertierter Ansteuerung wieder ein lineares Gesammtsystem erzeugen.
Die Grenzen dieser Technik werden durch
- den maximalen Hub des Systems
- die termische Belastbarkeit des Systems
- die Leistung des Verstärkers
abgesteckt.

Um eine Überlastung gerade bei tiefen Frequenzen zu vermeiden, sollte man eine Begrenzung zu tiefen Frequenzen hin einbauen. Man kann also z.B aus einem System mit einer Resonanzfreuenz von etwa 50Hz und einer Güte von 1.5 ein solches mit einer Systemfrequenz bei 25Hz und einer Güte von 0.7 erzeugen. Damit wird gegenüber einer Reflexlösung der Frequenzbereich noch deutlicher erweitert, das Impulsverhalten aber ebenfalls optimiert! Rein passive Lösungen schaffen dass nur mit erheblichem Matierialaufwand bei kaum vertretbaren Gehäusegrössen. Eine geschickte aktive Lösung kann also durchaus die Grenzen passiver Lösunen sprengen, zu deutlich verbesserten Übertragungseigenschaften führen. Vorraussetzung ist eine genaue Abstimmung und genügend Leistungsreserve.

Je nach Gehäusegrösse wird der maximale Hub des Systems bei tiefen Frequenzen schon mit weniger als der maximalen Leistung erreicht. In diesem Fall wäre es also durchaus denkbar, das Gehäusevolumen noch weiter zu reduzieren und den damit verbundenen Schalldruckabfall durch mehr Leistung zu kompensieren. Der Verlauf des maximalen Schalldrucks ist in weiten Grenzen von den Systemdaten und dem gewählten Gehäusevolumen abhängig und nicht vom Verlauf der Kompensation. Eine Resonanz bei etwa 40-60Hz mit einer Güte von mehr als 1 kann gerade im Bereich zwischen 50 und 100Hz den maximal erreichbaren Schalldruck erhöhen. Die Kompensation korreriert den Amplitudenverlauf und verbessert das Ein-/Ausschwingverhalten, unterliegt letztlich aber den physikalischen Grenzen des unkomensierten Systems. Übertreiben sollte man dieses Prinzip jedoch auch nicht. Mit der Belastung der Schwingspule steigt deren elektrischer Widerstand an und die Güte des Systems steigt dann ebenfalls. Das Verhalten der Gesammtkonstruktion würde sich damit dann natürlich auch verschieben (passiert bei konventionellen Lösungen in gleicher Weise). Kleine Gehäuse sind von Natur aus wesentlich stabiler als grosse und haben im Arbeitsbereich des Woofers auch keine Probleme mit Hohlraumresonanzen. In gewissen Grenzen haben kleine Gehäuse also nicht nur optisch manche Vorteile gegenüber den dicken Brummern. Ein gewisser Nachteil von kleinen Gehäusen ist der enorme Druck, der im Inneren erreicht werden kann. Damit verbunden sind auch die durch die Kompression der Luft entstehenden Verzerrungen, welche aber zum grossen Teil aus k2 bestehen.

Doch wieviel Druck und Leistung braucht man bei welcher Frequenz?
Untersucht man verschiedenen Musikstücke hinsichtlich ihrer spektralen Verteilung, so stellt man fest, dass praktisch nie Frequenzen unter 50Hz mit hohem Pegel vorhanden sind.
Selbst Techno hat zwar gerne ein Buckel bei 60-90Hz, jedoch keine Anteile unter diesem Bereich. Bei Klassik tauchen auch tiefere Frequenzen bis 40Hz auf, jedoch insgesammt mit reduziertem Pegel. Ein guter Woofer sollte also gerade im Bereich zwischen 50 und 100Hz genug Reserven aufweisen, die sich nach der Pegelsucht und der Tolleranz der Nachbarn richten. Sind 100dB ab 40Hz möglich, dann erreicht das Musikstück oft Spitzenpegel von über 110dB, was auf Dauer schon bleibende Hörschäden erzeugen kann! Ob es dabei noch sauber klingt ist von anderen Faktoren abhängig.

Ist der Bereich unter 50Hz dann nicht mehr wichtig?
Ganz im Gegenteil!
Schon bevor die eigentliche Musik einsetzt, beim Ausklingen, in den Pausen... hört man bei guten Aufnahmen den Raum mit all seinen Moden. Gerade dies macht eine Aufnahme so glaubhaft und vermittelt das Gefühl des Dabeiseins. Aus den tieffrequenten Anteilen rekonstruiert unser Gehör die Raumanteile. An den eher leisen Stellen werden diese nicht von den lauten Musikpassagen überdeckt und treten so deutlicher hervor. Vorraussetzung ist jedoch, dass die Aufnahme diese Anteile enthält und der Woofer sie auch korrekt wiedergeben kann. Schaut man sich z.B mal eine für ihre gute Räumlichkeit so bekannten Aufnahmen von Chesky an, so erkennt man über die gesammte Länge die übliche Amplitudenverteilung. In den Pausen oder am Ende eines Tracks jedoch treten die vorhandenen Raumanteile deutlich hervor.

Ein guter Woofer sollte also:
- genügend Pegelreserven zwiswchen 50 und 100Hz haben.
- die Bereiche darunter extrem sauber, jedoch ohne die vollen Pegelreserven übertragen können.
Ein tief angestimmtes offenes System bringt zwischen 50 und 100Hz in der Regel keine wesentlichen zusätzlichen Pegelreserven gegenüber einer geschlossenen Konstruktion.
Im tiefstfrequenten Bereich überlagen sich die Resonanzen einer offenen Konstruktion mit den in der Aufnahmen befindlichen Raumeindrücken. Es besteht also die Gefahr, dass eine solche Konstruktion als nicht so sauber und klar empfunden wird wie eine geschlossene. Auf der anderen Seite kann das verlangsamte Ausschwingen einer Reflexöffnung bei manchen Aufnahmen als durchaus mächtig und öffnent empfunden werden. Schliesslich sind die wenigsten Hörer bei der Aufnahmen dabei gewesen:)

Wird ein Reflex-System bevorzugt, dann kann eine Kompensation dazu diesen, dem verwendeten Chassis die benötigen Parameter "aufzudrücken". Die üblichen Optimierungen für Reflex-Boxen nutzen folgende Vorgehensweise:
- das Volumen wird so gewählt, dass sich eine Einbaugüte von etwa 0.59 ergibt
- die Reflexfrequenz wird dann auf etwa 0.67*Fs gelegt
Damit ergibt sich dann in etwa der beispielhaft abgebildete Amplitudenverlauf im Vergleich zum geschlossenen System bei gleichem Volumen.
  Reflex-Berechnung

Man kann den TSP-Konverter also auch dazu benutzen, um ein Chassis mit zu hoher Güte oder ein nicht optimales Gehäusevolumen entsprechend auszugleichen. Dazu wählt man ein Qp=0.59 und die gewünschte Fp. Die Refelxfrequenz sollte dann entsprechend auf 0.67*Fp eingestellt werden.


Der Vollständigkeit halber, hier der Vergleich einer Reflex-Konstruktion und einer geschlossenen Box gleichen Volumens mit 2 aktiven Treibern. Ohne Kompensation ist das Reflex-System zwar leiser, spielt aber tiefer. Mit entsprechender Kompensation kann der Amplitudenverlauf jedoch ausgeglichen werden.


Entsprechend der Verlauf des maximalen Schalldrucks. Die 2 aktiven Treiber bieten gegenüber der Reflex-Lösung eindeutig die besseren Reserven.


Ist der mechanische Aufbau einer reflex- oder geschlossenen Konstruktion abgeschlossen, so lassen sich durch einfaches austauschen der Werte im TSP-Konverter messtechnische und/oder gehörmässige Optimierungen vornehmen, die Anpassung an den Raum und die Aufstellung ist damit jederzeit machbar.


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