3-Wege Lautsprecher

Der HiFi-Selbstbau Referenz-Lautsprecher (alt)


Wenn man etwas beurteilen will, dann braucht man einen Vergleichsmaßstab

Und zwar einen möglichst guten, eine Referenz eben. Bower & Wilkens z.B. hat die Nautilus mit dem Ziel entwickelt einen möglichst guten Lautsprecher zu bauen, unabhängig von der Größe, den Kosten etc. Auch in anderen Bereichen ist es üblich einen Technologieträger zu realisieren, ein Flagschiff, dass das Machbare demonstrieren soll.

Bei unserem Referenzlautsprecher wollten wir zum einen die Summe unserer jetzigen Erfahrungen einbringen, zum anderen wollten wir das Konzept aber auch so offen halten, dass zukünftige Erkenntnisse (z.B. noch bessere Lautsprecherchassis) ohne eine völlige mechanische Neukonstruktion relativ einfach einfließen können. Damit war schon einmal klar: das Gehäuse wird mehrteilig aufgebaut!

Wenn wir z.B. einen alternativen Mitteltöner einsetzen wollen, dann muss die komplette Frequenzweiche angepasst werden um das Chassis optimal in das Restkonzept zu integrieren und seine Fähigkeiten voll auszuschöpfen. Bei einer passiven Frequenzweiche bedeutet dies mitunter eine völlige Neuentwicklung! Wenn man dann "vorher" mit "nachher" vergleichen will muss die "alte" und "neue" Frequenzweiche parallel (= doppelt) vorhanden sein. Bei einer aktiven Frequenzweiche (z.B. IMG Stage Line MCX-321, BEHRINGER Super-X PRO CX3400 oder DBX 234XL) sind zwar die Trennfrequenzen (und bei sehr teueren Geräten auch die Filtersteilheiten grob) einstellbar, die feinfühlige Kompensierung von Frequenzgangfehlern der Kombination Lautsprecher / Gehäuse ist allerdings generell nicht möglich. Durch eine speziell angepasste, aktive Weiche wäre dies zwar prinzipiell möglich, allerdings würde dies auch jeweils eine völlige Neuentwicklung sein. Auch hier müsste für einen Vergleich "vorher" gegen "nachher" die Frequenzweiche doppelt vorhanden sein.

Dieses Dilemma lässt sich nur mit einer frei programmierbaren Frequenzweiche umgehen. Eine reine Softwarelösung mit 8-Kanal-Soundkarte ermöglicht z.B. das Programm LspCad Professional, ein solches System ist für die Entwicklung vielleicht noch sinnvoll, aber wer will schon immer erst den PC anwerfen bevor er Musik hören kann. Praktikabler sind da schon volldigitale Lautsprecher-Management-Systeme wie z.B. das BEHRINGER Ultra Drive DCX2496. Auch preislich ist ein solches System mit ca. 420 € nicht unerschwinglich.

Bei einem aktiven Konzept wird pro Lautsprecherzweig eine Endstufe benötigt. Da das Gehäuse modular aufgebaut sein soll ist es unpraktisch, die Endstufen jeweils in das Gehäuse zu integrieren so dass aus Praktikabilitätsgründen externe Stereoendstufen zum Einsatz kommen sollen. Da diese Endstufen nur eine relativ einfache elektrische Last sehen (nur das Basschassis wird im Bereich der mechanischen Resonanz betrieben) und nur in einem begrenzten Frequenzbereich betrieben werden sind die Anforderungen geringer (und damit leichter zu erfüllen) als bei breitbandig eingesetzten Verstärkern. Der große Vorteil von aktiven Konzepten ist, dass bei Pegelspitzen z.B. im Bassbereich die für die anderen Bereiche zuständigen Endstufen davon völlig unbeeindruckt ihre Tätigkeit verrichten können. Dies macht höhere Spitzenpegel bei gleichzeitig niedrigeren Verzerrungen möglich.

Auch bei der Auswahl der Endstufen haben wir nichts dem Zufall überlassen. Allerdings haben wir sie im kritischeren Fullrangemodus mit einem gutklingenden Vollverstärker (MERIDIAN 551) an einem 2½-Wege-Lautsprecher beurteilt (Impedanzminimum 3.2 Ohm). Der Vorverstärkerausgang des Vollverstärkers wurde mit dem Eingang der zu beurteilenden Endstufen verbunden und die Pegelsteller der Endstufen wurde so justiert, dass sich am Lautsprecherausgang der Endstufe auf ±0.2 dB genau dieselbe Ausgangsspannung ergab. Dadurch wurde eine unterschiedliche Beurteilung aufgrund unterschiedlicher Lautstärke ausgeschlossen. Neben Studio-Endstufen aus dem professionellen Bereich (z.B. THOMAN S-75 und S-150, ALESIS RA300) wurden auch HiFi (CONRAD KD269) und PA-Endstufen (IMG Stage Line STA-160, STA-320, STA-302 und STA-900, Mc Crypt PA-4000) in den Vergleich mit einbezogen. Klanglich kam die IMG Stage Line STA-160 dem MERIDIAN am nächsten. Durch ihre hohe Ausgangsleistung, den temperaturabhängig drehzahlgesteuerten Lüfter und nicht zuletzt den günstigen Preis (300 €) hat sie das Rennen gemacht. Zusammen mit den benötigten Verbindungskabeln (2 x Cinch auf XLR, 6 x XLR, 6 x Lautsprecherkabel mit SPEAKON-Stecker) kostet die gesamte Aktivierung etwa 1500 €, ein Betrag, den mancher High-Ender gut und gerne in nur eine Stereoendstufe investiert.

So, das Grundkonzept steht, jetzt müssen nur noch gute Chassis her. Durch das volldigitale Lautsprecher-Managementsystem kann maximal ein 3-Wege-Stereo-Konzept realisiert werden. Nach unserer Erfahrung ist ein 3-Wege-Konzept ein guter Kompromiss um auch bei hohen Spitzenschallpegeln wie sie bei hochdynamischer Musik kurzzeitig vorkommen geringe Verzerrungen zu garantieren. 2-Wege oder Fullrange-Konzepte sind hier prinzipiell benachteiligt, da bei gleichzeitiger Abstrahlung von tiefen und hohen Tönen von einer Membran Mischprodukte (Intermodulationsverzerrungen) entstehen, die eine Rauhigkeit des Klangs bewirken. Auf der anderen Seite können in einem 3-Wege-Konzept für den jeweiligen Einsatzbereich spezialisierte Lautsprecherchassis eingesetzt werden.
Wenn es um Mitten- und Höhenwiedergabe geht sind im Prinzip möglichst leichte Membranen wie z.B. Bändchenlautsprecher, Elektrostaten, Magnetostaten oder Chassis nach dem Air-Motion Prinzip von Dr. Oskar Heil im Vorteil:

  • Bändchenlautsprecher sind nur im reinen Hochtonbereich gebräuchlich (mit Ausnahme des extrem teuren RAVEN R3 vielleicht und des STRATHEARN MRHF) und haben den Nachteil, dass ein Übertrager zur Anpassung an den geringen elektrischen Widerstand des Bändchens benötigt wird. Außerdem sind sie mechanisch recht empfindlich und mögen z.B. Zugluft gar nicht. APOGEE fertigt sogar Vollbereichsbändchen, im Bassbereich wird allerdings ein modifizierter Antrieb verwendet
  • Elektrostatische Lautsprecher sind mitunter sogar als Vollbereichslautsprecher realisiert (z.B. QUAD oder MARTIN LOGAN), reine Hoch-, Mittel- oder Mittelhochtonpaneele werden kaum noch angeboten (früher waren z.B. SCHACKMAN oder RENNWALD-Elektrostaten erhältlich). Auch hier wird ein Übertrager benötigt, der diesmal allerdings die zu geringe Ausgangsspannung des Verstärker auf mehrere kV hochtransformiert. Auch ein Elektrostat ist recht empfindlich auf Temperaturschwankungen und hohe Luftfeuchtigkeit und die Membran muss schon mal mechanisch (Feder) oder thermisch (Fön) nachgespannt werden.
  • Magnetostaten sind als Einzelchassis vor allem als Hochtöner erhältlich, zunehmend werden aber auch Mitteltöner gefertigt (z.B. BÖHLENER & GRÄBNER etc.). FOSTEX hat vor vielen Jahren einen Mitteltöner (FRS21) und sogar einen Tiefmitteltöner (FRS41) im Programm gehabt. Beide Chassis haben aber aufgrund des recht hohen Preises leider keine weite Verbreitung gefunden. Von MAGNEPLANAR sind auch Vollbereichslautsprecher erhältlich. Magnetostaten benötigen keinen Übertrager und stellen einen rein ohmschen Widerstand dar, was sie für passive Frequenzweichen sehr interessant macht. Sie sind hoch belastbar und unproblematisch in der Handhabung. Nachdem die benötigen starken Neodym-Magnete fast schon ein Standard-Magnetmaterial geworden ist und sich Magnetostaten im Prinzip relativ einfach fertigen lassen werden sie zunehmend erschwinglicher.
  • Air-Motion-Lautsprecher sind fast ausschließlich als Hochtöner erhältlich, z.B. von ETON (ER 4) und ESS und werden in Fertigboxen der Firmen ADAM und PIEGA verwendet. PIEGA setzt in ihrem Flagschiff sogar einen Mitteltöner nach diesem Prinzip ein (s. http://www.piega.ch/ls/c40_d.htm)


Aus praktischen Überlegungen scheinen Magnetostaten der beste Kompromiss zwischen Klangqualität, Alltagstauglichkeit und Preis zu sein. Durch die im Vergleich zum Kalottenlautsprecher größere Membranfläche sind höhere Dynamikreserven vorhanden. Die damit einhergehende Bündelung vor allem in der Vertikalen ist häufig günstig um Raumrückwirkungen (z.B. Deckenreflexionen) zu unterdrücken. Zufälligerweise befinden sich noch 2 "Klassiker" in unserem Besitz, nämlich ein Paar FOSTEX FS21 Mittelton-Magnetostaten und ein Paar VISATON RHT13AW Hochton-Magnetostaten.
Da der FS21 nur bis etwa 800-1000 Hz hinunter einsetzbar ist werden erhöhte Anforderungen an den Basslautsprecher gestellt. Hier wird ein Chassis mit leichter aber dennoch steifer Membran benötigt um eine bruchlose Anbindung zu gewährleisten.

Metallmembranen (z.B. EXCEL, ALCONE etc.) sowie Keramikmembranen (THIEL) sind in ihrem Arbeitsbereich bis ca. 1/2 Oktave unterhalb ihrer Membranresonanz zwar im Prinzip perfekte Kolbenstrahler. Sobald aber durch Unsymmetrien, Fertigungsungenauigkeiten oder Nichtlinearitäten Verzerrungsprodukte (= Klirrfaktor) entstehen, werden diese durch die Membranresonanzen zum Teil auf das 10-fache verstärkt. Dadurch können sich die besonders unharmonischen Verzerrugnen höherer ungerader Ordnung störend bemerkbar machen.

Neben Steifigkeit und geringem Gewicht ist daher auch eine gute Dämpfung der Membranresonanz nötig. Diese Eigenschaften vereinen Sandwichmembranen mit großem Zwischenraum zwischen den Deckschichten wie z.B. die Hexacone-Chassis von ETON und die legendären PODSZUS-GÖRLICH-Chassis mit Hartschaummembranen. Von diesem Hersteller befinden sich noch 2 Paar Chassis vom Typ A 245/37/8 in unserem Besitz, die sehr gut mit den Magnetostaten harmonieren dürften. Der Wirkungsgrad ist mit 92.5 dB/2.83V/1m (1 Chassis, Abstrahlung in den Halbraum) außerdem für HiFi-Anwendungen relativ hoch, so dass die Anforderungen an die Endstufen nicht übermäßig hoch ausfallen. Durch die gut gedämpfte Membranresonanz ist zu Versuchszwecken auch eine Kombination mit 50mm oder sogar 37mm Mitteltonkalotten sinnvoll oder auch ein 2-Wege-Konzept mit großen Hochtonkalotten wie der legendären AUDAX HD13D34H, die auch in großen 2-Wege-Abhörmonitoren der BBC eingesetzt werden.

 

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile des Konzepts:

Entscheidung Auswirkung
Modularer Aufbau + Flexibilität (Anzahl der Wege, Position der Chassis etc.)
+ effektive Schwingungsisolierung von Mittel- und Hochtöner
- Mehr Volumen
- höhere Kosten
Aktives Konzept mit digitalem Lautsprecher-Management-System + Flexibilität (Trennfrequenzen und Filtersteilheit, Zeitverzögerung etc.)
+ Effizienter A/B-Vergleich- Begrenzung auf 3
-Wege-Stereo-Konzept
- höhere Kosten (3 Stereoverstärker)
Magnetostaten für Mittel- und Hochtonbereich + geringe Membranmasse, große Membranfläche → hohe Dynamik
+ vertikale Bündelung reduziert Deckenreflexionen
- Einzelstücke (Ersatzproblematik bei Zerstörung oder Defekt)
Hartschaummembranen für den Bassbereich + geringe Membranmasse, große Membranfläche → hohe Dynamik
+ steife Membran, gute Dämpfung der Membranresonanz
+ durch günstige TSP sowohl geschlossen als auch Bassreflex möglich
- Einzelstücke (Ersatzproblematik bei Zerstörung oder Defekt)

Gehäuseausführung

Bereich Chassis Außenmaße Innenmaße Höhe Aktivbereich
Bass Podszus A245/37/8 Ø 250 mm Ø 224 mm 102  
Mid Fostex FS21 159B x 269H mm 123B x 253H mm 15 66B x 171H mm
High Visaton RHT13AW 115ٱ / Ø 128 mm 75ٱ 21 22B x 61H mm

 

Die Gehäusegestaltung und Anbringung der Lautsprecherchassis ist eher "klassisch", der Mittelpunkt des Hochtöners liegt bei 108.5 cm über dem Boden und damit geringfügig über der mittleren Ohrhöhe im Sitzen. Um Reflexionen an den Raumseitenwänden zu reduzieren ist der Lautsprecher zum Hörer hin einzuwinkeln. Dadurch wird der Einfluss von Beugungseffekten an den Kanten für den Hörer größer, da sich die Ohren in der unmittelbaren Nähe der vertikalen Symmetrieachse des Lautsprechers befinden. Alle Chassis sind daher 15mm außermittig auf der Schallwand positioniert um die Beugungseffekte an den Kanten auf einen breiten Frequenzbereich zu verteilen.

Sowohl die Frontplatte als auch die Rückwand jedes Teilgehäuses sind schraubbar ausgeführt so dass auch andere Chassis mit geringem Aufwand (neue Frontplatte mit Einbauöffnung und Befestigungslöchern) in das modulare Gehäuse eingebaut werden können. Eine Anwendung des Referenzlautsprechers soll es auch sein, 2 verschiedene Chassis in das Gesamtkonzept zu integrieren und über das digitale Lautsprecher-Management-System auf weitgehend gleichen Frequenzgang (bei ggf. unterschiedlichen Trennfrequenzen und Filtersteilheiten) zu trimmen und dann subjektiv miteinander zu vergleichen.

Das Bassgehäuse wurde mit 80 l so dimensioniert, dass sowohl eine Bassreflexabstimmung mit einem Chassis (Gehäuse tendenziell etwas zu groß) oder eine geschlossene Box mit einem (das Gehäuse kann mittels eines an der Ringversteifung verschraubten Trennbrettes unterteilt werden) oder zwei Chassis (zur Erhöhung der Tieftondynamik) realisiert werden kann. Außerdem kann das Gehäuse zu Vergleichszwecken auch für 12"-Basslautsprecher (ca. 30cm Durchmesser) verwendet werden.

Nachdem wir zunächst ein Bassreflex-System mit einem Treiber aufgebaut haben (diese Version hatten wir auch auf der HiFi-Music-World 2004 in Wetzlar dabei) favorisieren wir wegen der präziseren Basswiedergabe zur Zeit ein geschlossenes System mit 2 Treibern.

Während der Hochtonmagnetostat auf eine interne geschlossene und bedämpfte Kammer arbeitet strahlt der Mitteltonmagnetostat frei nach hinten ab. Durch die sehr geringe Membranmasse reagiert das Chassis äußerst empfindlich auf energiereiche Reflexionen durch ein geschlossenes Gehäuse. Dies kann zum Beispiel durch Platzierung des Chassis auf einer Schallwand vermieden werden. Um den akustischen Kurzschluss (Druckausgleich zwischen Membranvorder- und -rückseite) zu tieferen Frequenzen hin zu verschieben, kann man bei vorgegebener Schallwandbreite die Schallwand nach hinten „umklappen“ und kommt so zu einem C-förmigen Gehäuse (Mitte).

Die Abstrahlung des Magnetostaten nach hinten verkompliziert allerdings die Aufstellung des Lautsprechers im Raum, da neben der direkten auch die indirekte Abstrahlung berücksichtigt werden muss. In der Praxis ist daher eine Bedämpfung der rückwärtigen Abstrahlung wünschenswert. Dies lässt sich am günstigsten durch eine bedämpfte Schallführung erreichen, die sich am einfachsten durch einen „Keil“ in die Rückwand realisieren lässt. Dadurch ergibt sich eine mit der Entfernung zunehmende Bedämpfung mit minimaler Rückwirkung auf die Membran.

 

 

Und so sieht das in der Praxis aus:

 

Hier das spielfertige Projekt:

 

Messergebnisse der Chassis und die Vorgehensweise bei der „Entwicklung“ der digitalen Frequenzweiche findet man in der Ausgabe 11/12/04.

Kommentare  

+1 # Seufert 2010-04-01 12:55
Liebe Kollegen!

Super technisches Projekt aber das Ergebniss kann man nicht in ein Wohnzimmer stellen.

lG
Herbert
+1 # Theo 2010-04-02 14:15
Hallo Herbert,
Zitat:
das Ergebnis kann man nicht in ein Wohnzimmer stellen.
das kann sein, aber dazu war es eigentlich ja auch nicht gedacht. Die Referenz war immer dazu gedacht etwas zu probieren und möglichst viel zu lernen. Aus diesem gelernten entstehen dann unsere Lautsprecher, wie z.B. die TRIO, die sehr viele Gene der Referenz trägt und auch heute noch einer unsere besten Lautsprecher ist.

www.hifi-selbstbau.de/index.php?option=com_content&view=article&id=63:trio-ntlich&catid=41:3-wege-lautsprecher&Itemid=76

Auf der aktiven Seite ist unsere Rocket ein direkter Nachfahre der Referenz

www.hifi-selbstbau.de/index.php?option=com_content&view=article&id=133:rocket-unsere-neue-aktiv-referenz-ntlich&catid=42:4-wege-lautsprecher&Itemid=77

Ein Ziel wäre jetzt wiederum, die TRIO und die Rocket zu EINEM Lautsprecher zusammenzuführe n. So das er bezahlbar UND Wohnzimmertaugl ich ist.
:-) Theo

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