Gehäusearten

Der Dipol, das unbekannte Wesen


Dipol-Lautsprecher erleben eine Renaissance: sei es als Breitbänder in einer Schallwand oder als Dipol- bzw. dipolähnlicher Subwoofer in diversen Konstallationen (A, H, U, W oder Y-Frame). Letztere Gruppe gilt bei den einen als "Wunderwaffe", bei den anderen als "Energievernichter".

Danke einer Leihgabe von Audio Circle konnten wir mal mit so einem Teil rumspielen. Es handelt sich dabei um einen sogenannten Y-Frame mit einem 38er Bass:


Die TSP:

Zunächst haben wir die TSP des Chassis bestimmt:

Im Y-Frame kommt dann noch eine zusätzliche Masse durch die rückseitige Luftlast hinzu (1.2 g/dm³), so dass die Resonanzfrequenz weiter sinkt und die Güte noch etwas zunimmt:

  • eine Resonanzfrequenz von 22 Hz sowie eine Gesamtgüte von 0.52 versprechen eine tiefreichende Basswiedergabe!
  • bei 200 Hz ist die "Tiefenresonanz" des Y-Frames im Impedanzverlauf erkennbar (1/4-Wellenlänge von 34 cm)!

Mittlere Energie im Raum:

So weit, so gut! Und wie verhält sich der Sub jetzt im Raum? Es geht ja das Gerücht um, dass so ein Dipol-Subwoofer weitgehend unabhängig von der Aufstellung ist, da er prinzipiell weniger die bösen, bösen Raummoden anregt. Tja, und da wir einen problematischen Hörraum haben und das mit der weitgehend unabhängigen Aufstellung mal nachprüfen wollten haben wir den Y-Frame einfach mal an 81 Positionen in jeweils 3 Orientierungen vermessen:

Einige Positionen waren nicht zugänglich:

  • Positionen X5Y1 bis X8Y1: Anlage
  • Positionen X1Y3 bis X1Y5: Regal
  • Positionen X5Y7 bis X8Y8: Sofa
Ansonsten wurde der Hörraum weitestgehend frei geräumt.

Während ein Lautsprecher im geschlossenen Gehäuse bei tiefen Tönen in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt besitzt der ideale Dipol eine sogenannte Achter-Charakteristik: nach vorne und hinten strahlt er effektiv ab, wobei der rückseitige Schall gegenphasig zur Vorderseite abgestrahlt wird. Zur Seite hin löschen sich die beiden Schallanteile zunehmend aus: unter idealen Bedingungen wird in der Lautsprecherebene gar nichts abgestrahlt! Dieser Eigenschaft verdankt der ideale Dipol die Fähigkeit einzelne Raummoden NICHT anzuregen.

Der von uns verwendete Y-Frame verhält sich geringfügig anders: da der Aufbau bezogen auf die Membran nicht symmetrisch ist (die Abstrahlung nach hinten ist durch die zusätzliche Luftlast und die Schallführung anders als nach vorne) funktioniert die oben erwähnte Auslöschung in der Lautsprecherebene nicht perfekt. Die "Einschnürung" der Achtercharakteristik beträgt nur etwa 15 dB wenn man mittig über dem Y-Frame misst. Ein idealer Dipol (z.B. H-Frame) würde sich also noch anders verhalten als der hier untersuchte Y-Frame. Andererseits verhält sich aber bereits der Y-Frame deutlich anders als ein rundum strahlendes Chassis (Monopol).

Da man es bei rechteckigen Räumen im Wesentlichen mit Längs- und Quermoden zu tun hat wurde der Y-Frame daher sowohl in X-Orientierung (Raumbreite) als auch in Y-Orientierung (Raumtiefe) betrieben. Die jeweils in Querrichtung dazu auftretenden Raummoden können dann also nicht angeregt werden.

Außerdem wurde der Y-Frame in Z-Orientierung betrieben. Hier schließt der hochflorige Teppichboden die Rückseite des Y-Frames ab, so dass sich der Subwoofer wie ein geschlossenes Gehäuse (= Monopol) verhält, das an identischen X- und Y-Koordinaten und fast identischer Z-Koordinate betrieben wird. Die Antwort des Subwoofers wurde jeweils an der üblichen Hörposition gemessen (in der Mitte der Raumbreite, ca. 30 cm von der Raumrückwand).

Die Messungen wurden übrigens mit JustOct durchgeführt (Anregung mit Pseudorauschen, Analyse in 1/12-Oktavauflösung), wobei die Empfindlichkeit auf 2.83V bezogen wurde.

Wenn der Y-Frame wirklich so unkritisch in der Aufstellung wäre müsste sich ja der über alle Positionen energetisch gemittelte Schalldruck in X- bzw. Y-Orientierung deutlich gutmütiger als in der Z-Orientierung verhalten:


Hinweis: Hier wurde eine Entfernungskorrektur NICHT berücksichtigt, weiter weg liegende Messpunkte wurden also NICHT im Pegel gegenüber näher liegenden Punkten angehoben.


Hinweis: Hier wurde eine Entfernungskorrektur berücksichtigt, weiter weg liegende Messpunkte wurden also im Pegel gegenüber näher liegenden Punkten angehoben.

 

  • in beiden Fällen zeigt das gute, alte geschlossene Gehäuse den mit Abstand gleichmäßigsten Frequenzverlauf - wer hätte das gedacht?
  • Bei X-Orientierung wird die in unserem Hörraum kritische 42 Hz Mode in Y-Richtung im Mittel NICHT angeregt. "Dummerweise" ist dann aber unterhalb von 50 Hz nicht mehr viel los - dafür hätte man nicht unbedingt einen Subwoofer benötigt . . .
  • Bei Y-Orientierung wird die in unserem Hörraum kritische 42 Hz Mode in Y-Richtung im Mittel EXTREM gut angeregt - das nennt man dann wohl "One-Note-Samba" . . .
Diese Ergebnisse gelten zunächst einmal nur dann, wenn man über alle 81 Messpositionen energetisch mittelt, sich also keine besonderen Gedanken über die Aufstellung des Subwoofers macht! Damit muss man die "Vorschusslorbeeren" von Y-Frames in Bezug auf eine einfachere Positionierung wohl relativieren: auch bei einem Y-Frame kommt es auf die "richtige" Position UND Orientierung an! Diese "Erkenntnis" ist nicht wirklich neu und dürfte auch für die anderen Dipolvarianten (ideal, A, H, U, W) gelten.

 

Schalldruckkarten:

Sehen wir uns nun einmal die Schalldruckverteilung bei 3 verschiedenen Frequenzen und 3 verschiedenen Orientierungen "von oben" an:

-> auch ein Y-Frame will "richtig" positioniert werden!

Das "Verrückte" an der ganzen Angelegenheit ist, dass der "geschlossene" Y-Frame eigentlich gar kein Subwoofer mehr ist, aber TROTZDEM den im Mittel ausgeglichensten Frequenzgang hat. Im Nahfeld messen sich beide Varianten nämlich so:

Aus den TSP ergibt sich folgender Frequenzgang:

Der geringere Wirkungsgrad des Y-Frames ergibt sich durch die zusätzliche Luftlast auf der Membranrückseite. Die ca. 35 l eingeschlossene Luft wiegt 42 gr. und erhöht damit die effektive Membranmasse von 160 auf 202 gr. Dadurch reduziert sich die Resonanzfrequenz um 11 % und der Wirkungsgrad sinkt um 1 dB.

Ein geschlossenes Gehäuse mit linearem Frequenzgang bis 20 Hz hätte in unserem Hörraum im energetischen Mittel eine starke Bassüberhöhung im Bereich der kritischen Raummoden ergeben (insbesondere bei 42 Hz):

Da zeigt sich mal wieder: der Frequenzgang des Subwoofers und die "Frequenzgangverbiegung" des Hörraumes müssen zusammenpassen, dann klappt's auch mit der Basswiedergabe! Was wir für die Auslegung des Car-HiFi-Subwoofers noch mühsam entwickelt haben hat hier "glücklicherweise" gut geklappt.


Schwankungsbreite:

Ein weiteres Kriterium könnte die Schwankungsbreite in einem bestimmten Frequenzbereich sein. Beim Y-Frame kann es z.B. vorkommen, dass der Frequenzgang bei einer bestimmten Frequenz zwar relativ gleichmäßig, aber auf geringem Niveau ist. Damit kann sich ein solches Ergebnis bei der Betrachtung des energetischen Mittels nicht "durchsetzen". Im Folgenden wurde daher der Mittelwert und die Standardabweichung in verschiedenen Frequenzbereichen berechnet. Dargestellt ist nur die Auswertung für den Frequenzbereich 40 bis 100 Hz:

Beide Informationen können kombiniert und gewichtet werden. In den gewichteten Wert fließt der mittlere Schalldruck nur zu 1/3 ein (Verstärkerleistung ist schließlich preiswerter als eine Entzerrung), während die Schwankungsbreite voll berücksichtigt wird. Optimal geeignet wäre also ein Punkt mit möglichst geringer Schwankungsbreite (Dev) bei hohem mittleren Schalldruck (Avg):

Die "optimalen" Punkte (Maximum von Avg/3-Dev) zeigt das folgende Bild:

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  • Selbst bei "optimaler" Platzierung ergibt sich bei Y-Ausrichtung (= intuitive, durch das Design "gewollte" Ausrichtung) in unserem Hörraum ein breites "Loch" von 45 bis 60 Hz
  • Unter 40 Hz ist an allen 3 Positionen/Ausrichtungen nichts mehr los!
  • Die Z-Ausrichtung zeigt die geringsten Schwankungen verbunden mit dem höchsten mittleren Schalldruckpegel!
  • Diese Betrachtung unterstreicht nur die bereits oben gewonnenen Erkenntnisse: der Frequenzgang des Subwoofers und die "Frequenzgangverbiegung" des Hörraumes müssen zusammenpassen, dann klappt's auch mit der Basswiedergabe!

    Einfluss auf die Nachhallzeit:

    So ein Y-Frame könnte ja auch einen positiven Einfluss auf die Nachhallzeit haben. nun wollten wir nicht an allen 81 Punkten in 3 Richtungen auch noch die Nachhallzeit messen und haben das nur an 2 ausgesuchten Punkten gemacht:


    Bei dieser Eckposition hätte man einen positiven Einfluss des Y-Frames erwarten können, da die geschlossene Variante ja alle Raummoden optimal anregt. Der Einfluss auf die Nachhallzeit ist aber eher homöopathisch . . .


    Bei dieser Mittelposition wäre ein Gleichstand zu erwarten gewesen. Hier ist die Y-Anregung bei 40 und 50 Hz am schlechtesten, die X-Anregung bei 40 Hz am günstigsten (allerdings auch am leisesten . . .)

    Zusammenfassend lässt sich aus diesem "Schnellschuss" keine grundlegende "Überlegenheit" des Y-Frames in Bezug auf die Nachhallzeit erkennen. Ob dies auch für andere Anregungspositionen andere und Dipolformen gilt (ideal, A, H, U, W) kann daraus nicht abgeleitet werden. Die Messung und Auswertung der Nachhallzeit an allen Punkten war uns denn doch zu aufwendig . . .


    Fazit:

    Ein Y-Frame ist kein Allheilmittel, eröffnet jedoch durch seine Richtcharakteristik einen weiteren Freiheitsgrad - die Orientierung. Diesen Freiheitsgrad kann man aber nur nutzen, wenn dies auch "optisch" akzeptabel ist. Der Y-Frame zumindest sieht "quer gestellt" nicht wirklich chic aus . . .

    Die jeweils "optimalen" Positionen (Maximum von Avg/3-Dev) sind für alle 3 Orientierungen unterschiedlich. Wenn man aufgrund räumlicher Gegebenheiten den Subwoofer nicht beliebig platzieren kann und mit einem geschlossenen Gehäuse (= Monopol) keine zufriedenstellende Wiedergabe erreicht, könnte ein Dipol-bzw. dipolähnlicher Subwoofer (A, H, U, W, Y-Frame) die bessere Lösung sein.

    Die Mär vom schlechten Wirkungsgrad eines Dipol-Subs konnten wir zumindest beim Y-Frame so nicht bestätigen. Die für einen Dipol-Sub geeigneten Chassis sind zwar aufgrund der gewünschten Parameter:

    • niedrige Resonanzfrequenz Fs
    • hohe Gesamtgüte Qts
    • großes Verschiebevolumen (= Membranfläche Sd · Auslenkung Xlin)
    eher von der leiseren Fraktion, das Gehäuseprinzip Dipol-Subwoofer stellt aber darüber hinaus an der "optimalen" Position keinen zusätzlichen Wirkungsgradnachteil dar. Lediglich die zusätzliche Luftlast an der Membranrückseite des Y-Dipols fordert ihren Wirkungsgrad-Tribut, so dass Chassis mit ohnehin schweren Membranen und moderatem Antrieb besonders geeignet sind.

    Für unseren Raum hat sich mit diesem Y-Frame Subwoofer der Punkt X1Y6 in X und Z Ausrichtung als bester Ort erwiesen einen Subwoofer zu platzieren. 40 Hz untere Grenzfrequenz erscheinen da zunächst nicht sehr tief, wer aber einen kleinen Satelliten mit wenig Gehäusevolumen stellen möchte, kann hier eine Sub-Sat-Kombi bauen die sich optisch fast versteckt.

    In unserem Fall könnte solch eine Kombi so aussehen

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