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Extrem-Subwoofer CSS SDX12

Subwoofer müssen ordentlich Luft verschieben - das geht am besten mit ordentlich Membranfläche gepaart mit ordentlichem (linearen) Hub. Wenn das Gehäusevolumen noch einigermaßen kompakt ausfallen soll, dann nimmt man eher eine kleinere Membranfläche und erhöht dafür den linearen Hub. Ein weiteres Mittel zur Gehäusereduktion ist eine besonders schwere Membran in Verbindung mit einem sehr starken Magneten.

Der CSS SDX12 nutzt alle diese Tricks, und kommt so auf ein "Kampfgewicht" von 20 kg.

Unser detailliertes Datenblatt klärt, ob sich der Materialaufwand lohnt und wie man den CSS SDX12 optimal einsetzen kann . . .

Chassis-Datenblatt © www.hifi-selbstbau.de
So werden Lautsprecherchassis von HiFi-Selbstbau gemessen
Hersteller / Vertrieb: CSS / Variant-HiFi Typ: SDX12, 2+2 Ohm Datenblatt des Herstellers

Foto des Chassis


Der äußere Eindruck:

Von vorne sieht der CSS SDX12 noch relativ normal auf, da fällt nur die relativ breite Sicke auf. Die Membran ist aus luftgetrocknetem Papier, die 118 mm durchmessende Staubschutzkalotte aus Kunststoff. Spannend wird es erst auf der Rückseite . . .


Der Druckgusskorb bietet mit 8 Löchern reichlich Befestigungsmöglichkeiten - aufgrund des "Kampfgewichts" von ca. 20 kg sollte man hier aber tunlichst keine Holzschrauben verwenden, sondern M6-Maschinenschrauben mit Einschlagmuttern. Der Korbrand ist mit 6 massiven Doppelstreben mit dem "gewichtigen" Antriebssystem verbunden. Den Löwenanteil des Gewichts macht nicht einmal der 220 mm durchmessende und 25 mm hohe Magnetring aus, sondern die massive vordere und hintere Polplatte.


Die Schwingspule hat einen Durchmesser von 75 mm und bietet Platz für 2 unabhängige Spulen mit jeweils 2 Ohm Nennimpedanz. Diese werden im Car-HiFi-Einsatz (wo es viel Strom aber wenig Spannung gibt) vorzugsweise parallel geschaltet, zuhause werden beide Spulen in Reihe geschaltet.


Die Zentrierspinne ist großzügig hinterlüftet. Die beiden Anschlüsse befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten, die Litzen der Zuleitungen sind großflächig mit der Zentrierspinne verbunden. Dadurch bleibt die Belastung bei großen Auslenkungen symmetrisch und die Zuleitungen "klappern" nicht - bei 28 mm linearem Hub ist das sonst kaum zu lösen . . .


Die TSP:

Membranfläche: Außendurchmesser:
Innendurchmesser:
Plugdurchmesser:
-> Membranfläche Sd:
277 mm
216 mm
0 mm
477.2 cm²
TSP aus Messung mit Zusatzmasse
(Mittelwert und Streuung von
beide Spulen parallel, Anregung -12 dB):
Resonanzfrequenz Fs
DC-Widerstand Rdc
Mechanische Güte Qms
Elektrische Güte Qes
Gesamtgüte Qts
Effektive bewegte Masse Mms
Äquivalentes Luftvolumen Vas
Kraftfaktor BL
Wirkungsgrad Eta (1m/2.83V/Halbraum)
23.31 Hz (+/-1.1%)
1.34 Ohm (+/-1.6%)
4.373 (+/-1.8%)
0.660 (+/-1.6%)
0.574 (+/-1.6%)
222.71 gr (+/-2.1%)
67.59 dm³ (+/-0.1%)
8.12 N/A (+/-0.5%)
90.82 dB (+/-0.28)
TSP aus Messung mit Zusatzmasse
(Mittelwert und Streuung von
beide Spulen in Reihe, Anregung -12 dB):
Resonanzfrequenz Fs
DC-Widerstand Rdc
Mechanische Güte Qms
Elektrische Güte Qes
Gesamtgüte Qts
Effektive bewegte Masse Mms
Äquivalentes Luftvolumen Vas
Kraftfaktor BL
Wirkungsgrad Eta (1m/2.83V/Halbraum)
23.50 Hz (+/-0.9%)
5.03 Ohm (+/-0.6%)
4.365 (+/-4.0%)
0.621 (+/-2.6%)
0.544 (+/-2.7%)
252.17 gr (+/-3.3%)
58.78 dm³ (+/-5.1%)
17.37 N/A (+/-1.1%)
84.82 dB (+/-0.24)
TSP aus Messung mit Zusatzmasse
(Mittelwert und Streuung von
einzelner Spule, Anregung -12 dB):
Resonanzfrequenz Fs
DC-Widerstand Rdc
Mechanische Güte Qms
Elektrische Güte Qes
Gesamtgüte Qts
Effektive bewegte Masse Mms
Äquivalentes Luftvolumen Vas
Kraftfaktor BL
Wirkungsgrad Eta (1m/2.83V/Halbraum)
23.24 Hz (+/-0.3%)
2.26 Ohm (+/-1.6%)
4.552 (+/-5.4%)
1.159 (+/-2.1%)
0.924 (+/-2.8%)
230.13 gr (+/-1.6%)
65.81 dm³ (+/-2.3%)
8.09 N/A (+/-1.2%)
85.94 dB (+/-0.10)

Im Impedanzverlauf ist eine Störstelle um 35 Hz erkennbar, die die Bestimmung der TSPs erschwert hat. Eine "Beruhigung" des Antriebssystems hat hier etwas geholfen, wobei es gar nicht so einfach ist einen 20 kg Klotz zu beruhigen, wenn sich ca. 250 gr davon mit X Hz bewegen.

Die Resonanzfrequenz ist deutlich vom Anregungspegel abhängig, sie ändert sich bei Erhöhung der Anregung von -18 auf +6 dB um -17.3% (Parallelschaltung).

Die ermittelten TSPs weichen z.T. deutlich von den Herstellerangaben ab und können nur teilweise durch eine härte Aufhängung erklärt werden:

TS-Parameter Einheit HiFi-Selbstbau CSS Abweichung
(original)
HiFi-Selbstbau
(20% weicher)
Abweichung
(20% weicher)
Resonanzfrequenz Fs
Gesamtgüte Qts
Äquiv. Luftvolumen Vas
Wirkungsgrad Eta (1m, Halbraum)
Gleichstromwiderstand Rdc
Effektive bewegte Masse Mms
Kraftfaktor BL
[Hz]
[-]
[dm³]
[dB/2.83V/m]
[Ohm]
[gr]
[N/A]
23.5
0.544
58.78
84.82
5.03
252.2
17.37
21.3
0.37
67.5
84
3.74
275.9
18.4
10.3%
47%
-12.9%
0.82
34.5%
-8.6%
-5.6%
21.02
0.487
73.48



-1.3%
31.5%
8.9%



Neben der höheren Resonanzfrequenz ermittelten wir eine 8.6% niedrigere bewegte Masse und einen 5.6% schwächeren Antrieb. Außerdem waren wir uns bei der Membranfläche uneinig (CSS gibt 491 cm² an (+ 2.9%)), das führt zu einem 5.8% größeren Vas (die Membranfläche geht quadratisch ein).
Besonders unterschiedlich ist aber der Wert Rdc. Wenn wir den Spulenwiderstand mit Gleichstrom messen kommen wir zwar auch auf 3.63 Ohm - aber damit kann man den gemessenen Impedanzverlauf nicht nachbilden. Das geht erst mit einem "scheinbaren" Widerstand von 5.03 Ohms . . .

Verwunderlich ist, dass wir je nach Beschaltung (einzeln, in Reihe, parallel) unterschiedliche Werte für die bewegte Masse herausbekommen (von 222.7 gr bei Parallelschaltung bis 252.2 gr bei Reihenschaltung -> das sind immerhin 13% mehr, und das, obwohl die Streuung der bewegten Masse beider Chassis nur jeweils höchstens +/- 3.3% betrug. Auch alle übrigens TSPs streuen nur sehr gering (meist < +/- 3%) -> die Messungen erscheinen damit vertrauenswürdig. Hier werden durch die unterschiedliche Gegen-EMK offenbar Kräfte erzeugt, die als "scheinbare" Massen interpretiert werden.

Und was sagt LASIP zu den TSPs?

Wegen der unterschiedlichen Werte für Mms und Vas sind die "optimalen" Gehäuse für die serielle Schaltungsvariante ca. 20% kleiner, im gleich großen Gehäuse ergibt sich aber - wie vom Fachmann erwartet - weitgehend derselbe Frequenzgang, nur eben auf ca. 6 dB niedrigerem Niveau bei der Serienschaltung, da der Schalldruck pro 2.83 V aufgetragen wurde (das sind bei Rdc=1.34 Ohm der Parallelschaltung 5.97 Watt bzw. bei Rdc=5.03 Ohm der Serienschaltung 1.59 Watt).

Für extrem tiefe Bässe sind die erforderlichen Bassreflexgehäuse ca. 200 l (parallel) bzw. 150 l (seriell, grüne Kurve) groß, es geht dann aber auch bis 15 bzw. 16 Hz runter. Praktikabler sind da schon Gehäusegrößen von 64 Litern (Innenmaß 40 x 40 x 40 cm, rote Kurve), da geht es dann immer noch bis ca. 23 Hz runter und der maximal erzeugbare Schalldruck ist teilweise sogar größer, wie eine Simulation mit WinISD V0.70 zeigt:


Hinweis: die Auslenkung und die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr wurde bei 500 Watt Eingangsleistung simuliert, das sind ca. 111 dB Schalldruckpegel in 1m Abstand

Damit die Strömungsgeräusche aus dem Bassreflexrohr bei diesen hohen Schalldruckpegeln nicht stören wurde ein Rohrdurchmesser von 14 cm gewählt. Dafür werden dann aber Rohrlängen von 845 bzw. 1384 mm Länge benötigt - nicht wirklich praktikabel. In solchen Fällen werden dann gerne Passivstrahler eingesetzt, wobei als Faustformel gilt, dass der Passivradiator doppelt so viel Luft verschieben können muss wie der Basstreiber (s. R. H. Small: Passive-Radiator Loudspeaker Systems Part I: Analysis). CSS hat für diesen Fall eine hochgradig intelligente Lösung - den APR12 (APR steht für Adjustable Passive Radiator also einstellbarer Passivstrahler). Der besondere Gag des CSS APR12 ist, dass er VON AUSSEN einstellbar ist, also ohne dass man den Passivstrahler (ggf. mehrfach) aus- und wieder einbauen muss - SEHR praktisch.

Im Folgenden wird ein Bauvorschlag für den CSS SDX12 mit 2 Passivstrahlern CSS APR12 mit WinISD simuliert und mit der Bassreflexabstimmung im gleichen Volumen sowie einer geschlossenen Variante mit 40 Liter Volumen (Innenabmessungen 34 x 34 x 34 cm) verglichen:

Der Bauvorschlag von CSS (blaue Kurve) verhält sich weitgehend gleich wie die Bassreflex-Variante (rote Kurve) - die allerdings ein 1384mm langes und 140mm durchmessendes Bassreflexrohr (= 21.3 Liter zusätzliches Nettovolumen) bräuchte um funktionieren zu können . . . Die "Faustformel" mit dem doppelten Verschiebevolumen bestätigt sich: trotz 29mm linearem Hub sind 2 Passivstrahler nötig (weil der "aktive" Bass halt auch 28mm linearen Hub hat).

Das 40 Liter große geschlossene Gehäuse kann zwischen 16 und 30 Hz zwar nur 5 dB weniger maximalen Schalldruck produzieren, ist mit einer unteren Grenzfrequenz von 33 Hz für Musikwiedergabe aber auch gut dimensioniert.

Wem vor lauter Gehäusevorschlägen der Kopf noch nicht brummt: hier gibt es noch weitere Gehäuseempfehlungen von CSS für den SDX12.

Der Anschluss von nur einer Spule wurde wegen der dann sehr hohen Gesamtgüte von 0.924 und dem geringen Wirkungsgrad von nur noch 80.5 dB/W/m nicht simuliert.


Der Frequenzgang:

. . . verläuft bis 400 Hz fast perfekt linear. Bei ca. 700 Hz gibt es eine erste, noch recht gut bedämpfte Membranresonanz (+5 dB), gefolgt von einer Anti-Resonanz bei ca. 900 Hz (-10 dB) und einer 2. Membranresonanz bei ca. 1350 Hz (+9 dB).

Das Bild muss nachgemacht werden (SDX12_1R_P00.oct mit komplettem Frequenzgang)


Srungantwort/Pegellinearität

 

Sprungantwort (Chassis 1, 20 cm. 0°)

Die Sprungantwort ist mit einer mittelfrequenten Schwingung überlagert (1/0.680 ms = 1470 Hz -> ungefähr die höchste Membranresonanz). Denk man sich diese weg bleibt ein relativ langsamer Ausschwingvorgang übrig, eben das, was man von einer unteren Grenzfrequenz von 25 Hz erwarten kann. Die folgende Sprungantwort zeigt das Ausschwingen eines Hochpassfilter 2. Ordnung mit F=23.5Hz und Q=0.544 (TSPs des SDX12) überlagert mit dem Ausschwingen eines Hochpassfilter 2. Ordnung mit F=20Hz und Q=0.707 (Hochpassfilter Mikrofonvorverstärker)

Zerfallspektrum (Chassis 1, 20 cm. 0°)

Das periodenskalierten Zerfallspektrum sieht gut aus - bis auf die Membranresonanzen bei 700 und vor allem 1350 Hz, die deutlich länger ausklingen.

Die Pegellinearität:

Bei einer Anregung von 1 bis 10 Volt (das entspricht einem mittleren Schalldruckpegel von 76 bis 96 dB in 1 m Abstand) sind oberhalb von 50 keine Linearitätsfehler > 0.5 dB erkennbar. Unter 50 Hz ist diese Messmethode kritisch, da dort das Hintergrundgeräusch zu hoch ist und so die Referenzmessung mit der kleinsten Anregung "unsicher". Hier kann man nur den Farbwert der höchsten Anregungsstufe mit den Farbwerten der "leiseren" Stufen vergleichen. So gesehen bleiben die Farbwerte von +20dB bis +10dB weitgehend gleich, darunter gibt es dann Fluktuationen, die auf das Hintergrundgeräusch zurückzuführen sind.
Erhöht man die Anregung um 6 dB (2 bis 20 Volt = 82 bis 102 dB) fängt das Chassis um 100 Hz ab +20 dB leicht an zu komprimieren. Eine Anregung mit 20 Volt entspricht bei einer Nennimpedanz von 6 Ohm einer Leistung von 67 Watt.


Der Klirrfaktor:

Die Klirrkomponente K2 zeigt oberhalb von 80 Hz ein weitgehend lineares Verhalten und steigt moderat mit dem Anregungspegel. Der unharmonische K3 bleibt bis ca. 1.0 kHz auf moderatem Pegel, steigt dann aber bis 1.7 kHz (ca. 1/3 der Membranresonanz um 5 kHz) deutlich an; oberhalb von 500 Hz ändert sich bei höheren Pegeln kaum etwas. Von den höheren Klirrkomponenten ist nur noch K5 erwähnenswert, die bei 1/5 der Membranresonanz (= 1 kHz) ihre höchsten Werte erreicht.

Bei einem mittleren Schalldruckpegel (40 bis 500 Hz) von 80 / 85 / 90 / 95 / 100 dB liegt K2 zwischen 40 und 200 Hz im Mittel bei geringen 0.227 / 0.403 / 0.706 / 1.140 / 1.816 %. Für K3 gilt in diesem Bereich ein Mittelwert von geringen 0.195 / 0.240 / 0.326 / 0.487 / 0.999 %. Selbst bei 100 dB mittlerem Schalldruckpegel (das entspricht einem Anregungspegel von 20 Volt an 6 Ohm = 67 Watt) "explodiert" der Klirrfaktor noch nicht.

Nach unseren Untersuchungen (Klirrfaktor - wie viel ist zu viel?) wäre K2 im untersuchten Pegel- und Frequenzbereich weitgehend unhörbar - lediglich bei sehr tiefen Frequenzen besteht die Chance K2 zu hören (< 34 Hz bei 90 dB). Der unharmonische K3 ist bei 90 dB nur bei tiefen Frequenzen < 27 Hz hörbar. Die höheren Klirrkomponenten sind im Subwooferbetrieb unbedeutend: K3 ist erst um 473 Hz hörbar (1/3 der Membranresonanz um 1400 Hz), K5 erst um 282 Hz (1/5 der Membranresonanz um 1400 Hz).

Klirrfaktor bei 80 bis 100dB/1m (Halbraum, 20cm)


HiFi-Selbstbau-Fazit:

Der CSS SDX12 schlägt sich in den Disziplinen Pegellinearität und Klirrfaktor sehr gut. Der Einsatzbereich ist auf maximal 450 Hz beschränkt. Der Wirkungsgrad ist mit simulierten 83 dB/W/m recht niedrig. Für hohe Schalldruckpegel sind also hohe Verstärkerleistungen nötig, der SDX12 ist laut Hersteller bis 1000 Watt belastbar und kann diese Leistung dank extrem hoher linearer Auslenkung von +/- 28mm auch tatsächlich in Schalldruck umsetzen - Respekt!

Dank hoher Membranmasse und starkem Antrieb reichen schon 40 Liter für eine untere Grenzfrequenz von 33 Hz. In einem 64 l großen Bassreflexgehäuse geht es bis 23 Hz runter - da macht Heimkino schon Spaß. Wer viel Platz hat kann auch 150 l spendieren - dann geht es sogar bis 16 Hz runter.

So tiefe Abstimmfrequenzen erfordern allerdings entsprechende Passivstrahler. CSS hat da eine hochgradig intelligente Lösung im Programm - den APR12 (APR steht für Adjustable Passive Radiator also einstellbarer Passivstrahler). Der besondere Gag des CSS APR12 ist, dass er VON AUSSEN einstellbar ist -> SEHR praktisch.

Mit einem UVP von 440 € für den CSS SDX12 und je 99 € für die beiden CSS APR-12 ist diese Kombination nicht gerade ein Schnäppchen - und die 1000 Watt-Endstufe muss ja auch noch gekauft werden. Lohn dieser Materialschlacht ist dann aber eine äußerst kompakte uneingeschränkt heimkinotaugliche Subwooferlösung, die im Freifeld in 1m Abstand 113 dB Schalldruck bei 25 Hz erzeugen kann . . .

So sieht dann übrigens der Bauvorschlag von CSS für die oben genannte Kombination aus:

Kompletter Datensatz von 2 Chassis (Impedanz, Schalldruck im OCT-Format, Klirrfaktor und komplexer Frequenzgang als TXT-Datei, ZIP, 175 kB kB)

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