Software/Messtechnik

Boxsim (Anfänger)

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Seit einiger Zeit gibt es im bekannten Visaton-Forum eine Lautsprecher-Box Simulationssoftware mit dem logischen Namen Boxsim. Der im Visaton-Forum unter dem Nicknamen Uwe G. bekannte Autor hat in Zusammenarbeit mit der Firma VISATON und den Wünschen der User des Forums eine ungewöhnlich gut funktionierende Software erstellt, die laut eigener und Aussage der User des Forums im Ergebnis recht nah an den fertigen Lautsprecher herankommt. Das hört sich interessant an und so möchten wir mit diesem Bericht, nachdem die erste fertige, zeitlich unlimitierte Version zur Verfügung steht, an dieser Stelle eine kleine Bedienungsanleitung bereitstellen.

Schön an der Software ist der Umstand, dass sie keinerlei Einträge in die Registry von Windows macht, also nicht installiert werden muss. Wenn man sich die Software vom Netz gezogen hat, entpackt man sie z.B. in den Ordner Programme (ein Unterverzeichnis Boxsim wird dabei automatisch angelegt), macht eine Verknüpfung zur Datei Boxsim.exe und kann das Programm starten. Links zum Download der Software findet man auf den Seiten des Autors, www.boxsim.de und im Forum von Visaton.

Wenn man nach dem Start des Programms ungeduldig herumklickt und nichts funktioniert, dann liegt das wahrscheinlich daran, dass Boxsim ein Standardprojekt lädt und berechnet. Je nach Rechenpower kann das schon mal etwas dauern.

Wenn der Countdown bis 100% hochgezählt hat, ist das Standardprojekt fertig geladen und es bietet sich etwa folgendes Bild

Der ungeduldige Simulant nimmt sich in der Regel nicht die Zeit, das Standardprojekt genau zu analysieren (was ein schwerer Fehler ist und dringend empfohlen wird), sondern legt direkt mit einem eigenen Projekt los. Also Aufbruch, über "Datei/Neues Projekt" erhält man folgende Ansicht.

Für den Anfang wählen wir mal ein "einfaches" 2-Wege-Projekt. Über Sinn und Unsinn der Starteinstellung "Tiefste Frequenz 20 Hz" machen wir uns mal keine Gedanken. Wissen wir doch, dass ein Frequenzgang von 20 bis 20000 Hz immer tiefen Eindruck hinterlässt (Otto-Versand lässt grüßen). 126 Berechnungspunkte (entspricht der Standardeinstellung "mittel") sind durchaus sinnvoll, um genug Details angezeigt zu bekommen und die Rechnerzeit nicht in die Höhe zu katapultieren. Dass wir lediglich einen Verstärker benutzen, ist irgendwie auch logisch.

Und ab, auf OK gedrückt und sehen was die Box so hergibt

Wie Sie sehen, sehen Sie nichts! Wir haben die rote Leiste im Hintergrund ja schon bemerkt, aber nicht weiter drüber nachgedacht. "Berechnung fehlerhaft" steht da und man soll drauf klicken. Gelesen getan...

Mit dieser Fehlermeldung dürfte ein Anfänger kaum etwas anzufangen wissen. Welche Schallwand, Rdc, Vas, ....%&§"*#. Unser Tipp an Uwe G., am Anfang hätte der Hinweis "Chassis 1 nicht geladen, Chassis 2 nicht geladen, Gehäusedaten nicht eingegeben", für mehr Durchblick gesorgt. Begeben wir uns also auf die Suche und versuchen die Fehler zu beseitigen.

Der Menüpunkt "Chassis & Einbau" hört sich doch ganz logisch an.

Wenn man "Chassis 1" wählt, tut sich folgender, zunächst leerer Bildschirm auf

Auf den Knopf "Chassis laden aus Datei..." gedrückt, ein Chassis wählen und der Bildschirm füllt sich mit Daten. Interessant ist hier jeweils der Eintrag im Feld "Messung der Frequenzgänge erfolgte:" der, wie der Name schon sagt, Aufschluss darüber gibt, unter welchen Rahmenbedingungen die Messwerte ermittelt wurden. Ohne diese Angabe kann Boxsim keine korrekten Rückrechnungen auf das zu bauende Gehäuse machen und es kommt zu fehlerhaften Ergebnissen. Glücklicherweise werden diese Angaben aber in der Chassisdatei gespeichert, so dass die Daten der Firma VISATON die Messmethode gleich mitbringen.

Wir wollen jedoch die Funktion von Boxsim anhand eines Live-Projektes überprüfen und wählen die Chassis AL130M und KE25SC aus. Diese beiden hervorragenden Chassis werden auch in unserem neuen Projekt "TRIO" verwendet, und so können wir später die Simulation mit der harten Wirklichkeit vergleichen. Man muss an dieser Stelle noch bemerken, dass Boxsim ausschließlich mit VISATON-Daten geliefert wird. Das liegt zum einen an der Förderung des Projektes durch VISATON (deshalb auch die VISATON Edition) und zum anderen daran, dass VISATON Messergebnisse unter genau bekannten Messbedingungen liefert, was so nicht jedem Lieferanten möglich ist. Erst durch einen aufwendigen Abgleichprozess konnte die hohe Simulationsgenauigkeit erreicht werden. Man kann natürlich auch eigene Daten einlesen, dass gehört jedoch in einen Bericht für fortgeschrittene Anwender.

Na super, jetzt haben wir 2 Chassis ausgewählt und die rote Fehlerleiste bleibt stur. Klicken wir mal drauf und sehen was das Ding jetzt wieder zu jammern hat.

Aaaaahhh ja, Schallwand darf nicht 0 sein usw. usw... Das deutet stark darauf hin, dass es an einem Gehäuse mangelt.

Im Menüpunkt "Chassis & Einbau" finden wir auch den Punkt "gemeinsames Außengehäuse", also ein Gehäuse für beide Treiber. Das hört sich doch schon ganz gut und logisch an. Und richtig, hier finden wir eine Stelle, an der wir Gehäusedaten editieren können. Sehr gut gemacht ist die Zeichnung, die uns genau zeigt, wie die Maße einzutragen sind. Da wir die beiden Kandidaten in eine Dreiwegebox einbauen möchten (das Hinzufügen des Tieftöners wird später eure Aufgabe sein), kommen sie auf eine gemeinsame Schallwand, und deshalb können wir die Maße unseres Lautsprechers eingeben.

Na endlich, das Teil rechnet und die rote Fehlerleiste bleibt weg, doch leider bleibt der Bildschirm leer. Diesmal gibt es aber leider keine Fehlermeldung warum es nicht geklappt hat.

Was kann da passiert sein? Denken wir logisch und überlegen was herauskommt, wenn wir schöne Boxen gebaut haben und diese Holzkästen mit eingebauten Chassis neben die Anlage stellen. Genau, nichts passiert. Wir müssen die Boxen doch noch an die Anlage anschließen, doch wo schließen wir die Kabel am Holz an? Da muss noch was fehlen, nämlich die Frequenzweiche. Wozu man eine solche braucht erfährt man in unserem Grundlagenbericht ( Frequenzweichen (Anfänger). Es muss also eine Möglichkeit geben eine solche Weiche in unser Projekt einzufügen. Nach ein wenig Rumgeklicke kommt Verzweiflung auf: "Wo gehts denn hier zur Frequenzweiche?" Dass sich die Weiche hinter dem Menüpunkt "Verstärker 1" versteckt, ist nicht wirklich intuitiv, aber jetzt haben wir den Menüpunkt gefunden mit dem sich der Weicheneditor aufrufen lässt.

Und so sieht das Editorfenster für die Frequenzweiche auszugsweise aus. Eigentlich geht es da rechts noch weiter, aber das sprengt den Rahmen der Anzeige. Am besten man stellt die Fenstergröße links gleich auf "klein", damit man bei einer Bildschirmauflösung von 1024 x 768 zu einer Format füllenden Anzeige kommt.

Jetzt wird es wieder ein wenig unlogisch, oder sagen wir besser "undurchsichtig". Wenn wir nämlich in dieses Fenster klicken, entstehen zwar ein paar Striche, was aber nichts wäre, das wir als Weiche erkennen könnten.

Wenn bei Windows nichts hilft, hilft oft die rechte Maustaste (Zauberwort: Kontextdialog). ........aaaaah jetzt ja, eine Insel!

Es öffnet sich ein Menü in dem wir wählen können welches Bauteil wir denn gerne an der Stelle des Mausklicks haben wollen. Ein Verstärker und ein Chassis sollten zumindest da sein und auch verdrahtet werden, sonst kommt auch nichts beim Lautsprecher an und das Frequenzgang-Fenster bleibt weiterhin leer. Wenn man auf den Knopf "Mausbelegung" drückt, kann man in dem sich öffnenden Fenster die Maus so belegen, wie es den persönlichen Vorlieben entspricht.

Wenn wir diese Hürde geknackt haben, können wir unsere erste Weiche erstellen. Dabei fangen wir der Übersichtlichkeit halber erst mal nur mit dem Hochtöner an. Wenn man im Auswahlmenü den Punkt "Lautsprecherchassis" wählt, kommt eine Klappbox zum Vorschein, in der man zwischen den Chassis wählen kann, die man im Menüpunkt "Chassis & Einbau" ausgewählt hat.

Hier wählen wir unseren Hochtöner aus und verbinden ihn mittels Drähten mit dem Verstärker.

Sieht doch schon ganz gut aus! Jetzt noch schnell auf OK gedrückt und die automatische Neuberechnung der gesamten Box startet. Mit Spannung warten wir, ob im Frequenzgangfenster endlich was zu sehen ist

Yiiipiiieee, endlich ein Ergebnis und gar nicht mal schlecht. Der Frequenzgang ergibt sich aus den gemessenen Treiberdaten, der Frequenzweiche und, das ist GANZ wichtig, der Gehäusegeometrie. Es ist NICHT möglich eine Lautsprecherkombination einfach in ein vollkommen anderes Gehäuse zu bauen ohne eine Weichenanpassung vorzunehmen. Unsere "Gehäusevermutung" beruht auf der Untersuchung des Verhaltens dieser Chassis in einer 32 cm breiten Schallwand, die wir für unseren neuen Lautsprecher TRIO verwenden. Im Bild sieht man eine erste Testversion die für einen Workshop über die Arbeit mit digitalen Frequenzweichen gebaut wurde.

Wer die Schallwand einfach schmaler macht weil es so schön modern ist, hat ein anderes Ergebnis. Ändern wir doch gerade mal die Schallwandbreite (Maß b = 20cm) und die Querposition (Maß c = 10 cm) des Hochtöners.
Tipp:
Beide Zustände kann man vergleichen, indem man den ersten Zustand als Referenz „einfriert“ (Menüpunkt „Bearbeiten / Projekt als Referenz merken“). Der „eingefrorene“ Zustand wird dann jeweils als gestrichelte Kurve unterlegt, der modifizierte Zustand wird „normal“ darüber gezeichnet.


gestrichelt: Chassis in ursprünglicher Position, durchgezogen: schmale Schallwand, Position der Chassis versetzt

Ein um bis zu ca. 2,5 dB angestiegener Schalldruck bei einer Frequenz von ca. 1700 Hz ist nicht zu vernachlässigen und MUSS in die Frequenzweiche eingehen. Noch drastischer wird es wenn man den Hochtöner oberhalb des Mitteltöners montiert. Hier erhält man im unteren Bereich sogar einen Anstieg von fast 4 dB. Wem es aufgefallen war, bei unserer Konstruktion ist der Hochtöner unterhalb des Mitteltöners installiert weil sich dadurch insgesamt ein besseres Frequenzverhalten ergibt.


gestrichelt: Chassis in ursprünglicher Position, durchgezogen: wie oben, zusätzlich Hochtöner und Mitteltöner vertauscht

Wer also einfach die Schallwandgeometrie und die Position der Chassis ändert ohne in der Weiche darauf einzugehen, wird im Normalfall Schiffbruch erleiden. Also Kommando zurück, Schallwandbreite und Position der Chassis wieder hergestellt.

An dieser Stelle wird ganz deutlich welch große Hilfe Boxsim für den geübten Entwickler ist und welche Schlingen es für einen Laien zu legen vermag. Was ist aber jetzt mit der Frequenzweiche? Wir haben für den KE25SC eine Trennfrequenz von 2300 Hz für dieses Projekt "auserkoren". Das ist für eine Dreiwegbox zwar relativ tief, aber der KE25SC hat im Messraum bewiesen, dass er das ohne Murren - ähm - Klirrfaktor macht. Demgegenüber zeigt der AL130M ab 2,5 kHz kleinere Schwankungen im Frequenzgang und fängt schon an zu bündeln. Diese Erkenntnisse ergeben sich aus den Datenblättern zum KE25SC (frei) und AL130M (Abo). Welche Bauteilewerte verwendet man denn jetzt um das zu erreichen? Wo bekommt man diese Werte her?

In Boxsim 1.01 gibt es im Menüpunkt "Extras" diverse Rechner, unter anderem auch einen für Standardweichen. Bei diesen Standardweichen wird zunächst einmal davon ausgegangen, dass sich das Lautsprecherchassis elektrisch wie ein Widerstand verhält (was leider nur die wenigsten tun). Dann werden die Bauteile so errechnet, dass sich bei der gewünschten Trennfrequenz eine Pegelreduktion von 3 dB ergibt (= 50% der Schallleistung). Dies entspricht der in der gesamten Literatur "üblichen" Definition der Eckfrequenz. Lediglich bei so genannten "Linkwitz-Riley-Filtern" werden die Bauteile bei Boxsim so errechnet, dass sich bei der Trennfrequenz eine Pegelreduktion von 6 dB ergibt (= 50% des Schalldrucks). Schade, dass Uwe G. sich hier nicht vom "üblichen" Schema gelöst und eine einheitliche Definition eingeführt hat, zumal sich der Abfall von 6 dB bei der Übernahmefrequenz bei der Entwicklung von Lautsprecherboxen als "richtiger" durchgesetzt hat. Da man anstrebt, dass beide Chassis im Bereich der Übernahmefrequenz möglichst gleichphasig abstrahlen, ergibt sich nur bei einem Abfall der einzelnen Chassis von 6 dB bei der Übernahmefrequenz ein ausgeglichener Schalldruckverlauf bei gemeinsamem Betrieb.

Im Weichenrechner kann man links oben die gewünschte Trennfrequenz eingeben und ganz rechts die Impedanz für den Hochtöner, die wir z.B. aus dem Impedanzgangdiagramm ohne Weiche entnehmen können. Man kann auch den Gleichstromwiderstand Rdc verwenden, der aber in vielen Fällen anders ist als der Widerstand bei der gewünschten Trennfrequenz. Beim VISATON Hochtöner ist Rdc 5,9 Ohm, was der Impedanz im Schrieb (6 Ohm) sehr nahe kommt. Eine Spezialität beim Hochtöner KE25SC ist die eingebaute Impedanzlinearisierung, die die Auslegung einer Frequenzweiche wesentlich vereinfacht, da sich der Hochtöner ähnlich dem schon erwähnten Widerstand verhält.

Nehmen wir also die 6 dB/Oktave Weiche bei 2300 Hz und 6 Ohm Impedanz an (Weiche 1. Ordnung). 6 dB/Oktave weil es so schön in ist. Ein solches Filter ist in HiFi Kreisen "angeblich" die ideale Weiche. Da es die von Boxsim errechneten 11,53 µF nicht gibt und ein 12 µF nicht zu kaufen ist, nehmen wir den nächstliegenden Wert, einen 10 µF Kondensator und sehen was passiert.


gestrichelt ohne Weiche - durchgezogen mit 6 dB Filter

Wir haben nun bei 2300 Hz wie erwartet einen Abfall von knapp 3 dB erreicht. Bedenklich ist aber die Tatsache, dass wir bei 1000 Hz nur knapp 8 dB minus gegenüber dem ursprünglichen Frequenzgang haben. Der KE25SC ist ein sehr robuster Hochtöner, aber bei 1000 Hz noch soviel Dampf dürfte auch ihn langsam aus der Ruhe bringen (siehe Datenblatt). Schauen wir und hierzu doch mal den Spannungsfrequenzgang an, den wir im Reiter "Weiche/Filter" finden.


Spannungsabfall mit 6 dB Filter

Wir sehen, dass die Spannung bei 2300 Hz um ca. 3 dB abgefallen ist und dass es um die Resonanzfrequenz herum ein wenig "eiert". Ein Hochtöner ohne die integrierte Impedanzentzerrung würde sich noch viel "komischer" verhalten.

Unserer Erfahrung nach sind 6 dB Weichen nicht geeignet, einen Hochtöner vernünftig zu trennen. Er wird durch dieses Filter nicht ausreichen von tiefen Tönen entlastet, wodurch er bei höheren Lautstärken zuviel Hub und damit zuviel Verzerrungen macht. Ein Hochtöner bekommt bei diesen Filtern soviel Leistung zugeführt, dass im Extremfall die Schwingspule durchbrennt. Der KE25SC ist durch seine Robustheit und eingebaute Impedanzlinearisierung sicher noch als harmlos einzustufen. Man kann zwar 6 dB Weichen verwenden, nur sollte man sich über die Kompromisse im Klaren sein die man eingehen muss. Zu diesem Thema bitte auch unsere Grundlagen lesen.

Probieren wir es mit einer 12 dB Weiche. Auch hier sei bemerkt, dass es keinen Normwert 0,587 mH gibt und man auf den nächsten Normwert 0,56 mH ausweicht, was in der Regel aber kein Problem ist. Man kann sich auch eine 0,68 mH Spule kaufen und sie auf 0.587 mH abwickeln. Dies halten wir aber lediglich für eine Gewissensberuhigung. Wer Lust hat, kann den Unterschied ja mal in Boxsim simulieren.

8,2 µF Kondensatoren gibt es tatsächlich. Wir werden auch öfter gefragt wo man diese bekommt. Die Quellen sind sowohl Visaton, Monacor und Intertechnik. Offensichtlich wird dieser Bauteilewert gerne übersehen. Als Spule verwenden wir eine Luftspule wie sie handelsüblich und auf dem Mark leicht zu beschaffen ist.


gestrichelt ohne Weiche - durchgezogen mit 12 dB

Jetzt erreichen wir bei 1150 Hz ( -1 Oktave) schon eine Absenkung von ca. 15 dB, was den Hochtöner ausreichend vor Zerstörung schützen dürfte und man auch mal laut hören kann, ohne dass es scheppert. Ach ja, bei 2300 Hz haben wir immer noch - 3dB, also immer noch alles "grün". Wenn unser Schalldruck mit 12 dB/Oktave abfallen soll und wir bei 2300 Hz 86 dB ablesen, dann müssten wir eine Oktave (halbe Frequenz, vergleiche Frequenzweichengrundlagen) niedriger doch 74 dB haben und das kommt auch knapp so hin. Die Weiche funktioniert also wie gewünscht. Wir wollen mit dem Lautsprecher aber auch mal so richtig laut spielen (z.B. HiFi-Music-World) und wir möchten die Überlagerungsbereiche der Chassis möglichst klein halten um die gegenseitige Beeinflussung zu minimieren, was uns als Grund reicht auch mal die 18 dB/Oktave Variante zu probieren.

Wenn wir nun noch mal in das Ergebnis der Weichenberechnung schauen und die angenäherten Daten für eine 18 dB Weiche (3. Ordnung) im Weicheneditor eingeben, erhalten wir folgendes Bild


gestrichelt ohne Weiche - durchgezogen mit 18 dB

Die sich ergebende Schaltung sieht so aus

Viel hat sich da anscheinend auch nicht verändert. Wollen wir das mal mit der 12 dB Version vergleichen, die wir uns eben als Referenz gemerkt haben


gestrichelt 12 dB - durchgezogen 18 dB

Wie wir sehen, bekommen wir mit der 18 dB Version nochmals einen stärkeren Abfall unterhalb von 2000 Hz. Mit dieser Schaltung dürfte man vor allen Eventualitäten geschützt sein und man sollte sehr lange Freude mit dem Hochtöner haben. Letztlich kann man nicht genau voraussagen welche Weichenart mit welchem Chassis funktioniert, da ein Lautsprecherchassis und die Weiche IMMER eine Einheit bilden müssen. Es ist durchaus möglich, dass ein Hochtöner auch mit einer 6 dB Weiche funktioniert. DYNAUDIO hat das lange genug vorgemacht. Allerdings haben die sich ihre Hochtöner auch auf den Leib geschneidert, was dem Normalsterblichen sicher nicht möglich ist. Schauen wir doch noch mal auf die elektrische Seite.

Spannungstechnisch gesehen ereichen wir -3 dB bei 2300 Hz in Bezug auf die Nulllinie. Gegenüber der Spannung des Filters oberhalb von 5000 Hz sind es sogar -4,5 dB. Ist da jetzt mehr als vorher? Schauen wir mal nach oben. Tatsächlich sieht man sowohl im Frequenzgang als auch im Spannungsfrequenzgang einen Anstieg der Amplitude nach Einfügen der Weiche. Der ehemals 89 dB laute KE25SC ist mit 18 dB Filter jetzt ca. 2 dB lauter als ohne Weiche. Warum das so ist, werden wir in einem späteren Artikel noch ausführlich besprechen. Hier geben wir uns erst mal mit dem Ergebnis zufrieden, Spannung und Amplitude sehen doch ganz gut aus.

Hinweis: Die Skalierung beim Schalldruckfrequenzgang und beim Spannungsfrequenzgang können unterschiedlich sein, wodurch es zu Verwirrungen kommen kann. Während in unserem Fall beim Schalldruck in 2 dB Schritten skaliert wird, sind es bei der Spannung 1 dB Schritte. Wenn man im Menü "Optionen", "Anzeigeoptionen" den Punkt "Schalldruckpegel von" auf "50 dB bis 100 dB" einstellt, zeigt der Teilstrich im Reiter "F-Gang/Imped." auch nur ein dB an. Hier sollte man also genau aufpassen, wie die Anzeige skaliert ist.


Was ist jetzt mit dem Mitteltöner?

Wenn wir uns den von Boxsim berechneten Frequenzgang des Hochtöners anschauen, sehen wir die Marke ca. -3dB bei 2300 Hz. Wir gehen jetzt davon aus, dass auch der Mitteltöner diese Marke erreichen soll. Der AL130M hat bei 2300 Hz knapp 8 Ohm, weshalb dieser Wert auch im Weichenrechner verwendet wird. Ohne Weiche sieht das Chassis auf unserer Schallwand so aus:


gestrichelt: Hochtöner mit 18 dB - durchgezogen: Mitteltöner ohne Weiche

Bei einer Übernahmefrequenz von 2300 Hz hat der Mitteltöner ja schon alleine - 3 dB, brauchen wir da eine Weiche? Aber sicher doch! Der Mitteltöner hat durch Resonanzen in der Membran eine fiese Überhöhung zwischen 8,5 kHz und 15 kHz. Fangen wir klein an und nehmen einfach die 6 dB Weiche aus der Berechnung, eine Spule mit 0,56 mH in Serie zum Mitteltöner.


gestrichelt: Hochtöner mit 18 dB - durchgezogen: Mitteltöner mit 6 dB Weiche

Bei 2300 Hz ist der AL130 im Verhältnis zum knapp über 90 dB lauten Hochtöner jetzt 6 dB leiser. Der Mitteltöner scheint auch drastisch leiser geworden zu sein. Hatte er eben noch 90 dB bei 1500 Hz, so sinkt er nach Einfügen der Weiche auf 87 dB ab. Er ist natürlich "nicht" leiser geworden sondern das ist schon die Auswirkung des mit 6 dB/Oktave flach und breitbandig wirkenden Filters. Da wir nicht ohne Weiche auskommen werden, sollten wir jetzt zunächst mal den Hochtöner ungefähr dem Pegel des Mitteltöners anpassen. Für diesen Fall hat Uwe G. uns auch einen Rechner mitgeliefert, der uns einen sogenannten Spannungsteiler ausrechnen kann. Man könnte auch einfach einen Widerstand in Serie zum Hochtöner verwenden, würden damit aber auch Einfluss auf die Gesamtimpedanz des Systems im oberen Bereich nehmen, machen wir es also lehrbuchartig.

Die erste Zeile "Vorschläge bei Einsatz gängiger Widerstände" zeigt uns die Werte 2,2 Ohm und 15 Ohm für -3,6 dB, mal sehen wie sich das auswirkt.

Das hat doch prima geklappt, hier die Schaltung

Jetzt ist der KE25SC deutlich leiser, wenden wir uns also wieder dem Mitteltöner zu. Den müssen wir jetzt erst mal zusammen mit dem 6 dB/Oktave Tiefpass in unsere Schaltung einbauen. An der Stelle möchten wir auf eine als genial zu bezeichnende Besonderheit von Boxsim hinweisen. Wenn man auf den Knopf "Freie Verbindungen editieren" drückt, kann man in folgender Ansicht jeden Punkt mit jedem verbinden. So ist eigentlich jede erdenkliche Schaltung möglich, ein Feature das andere Programme so nicht bieten.

Auf diese Art ist es uns ganz leicht möglich, den Mitteltöner in unsere Weiche zu integrieren. Wie kann das aussehen?


Gesamtfrequenzgang der beiden Chassis (alle Referenzansichten gelöscht)

Was ist das denn, das sieht ja gar nicht gut aus, was kann da passiert sein? Wenn wir ein Häkchen in den Kasten "Frequenzgang Einzelchassis zeigen" machen und uns das Ergebnis anschauen, sehen wir vielleicht Gründe für den komischen Frequenzgang.


Gesamt- und Einzelfrequenzgang der beiden Chassis (alle Referenzansichten gelöscht)

Ein tiefer Einbruch im sehr großen Überlagerungsbereich der Chassis deutet meist auf eine Phasenauslöschung hin (Vergleich Grundlagen Frequenzweichen Teil 2) und kann oft mit der Verpolung eines Chassis behoben werden. Da war doch was.....

....genau, hier kann man die Polung einstellen, was passiert denn jetzt?


Gesamt- und Einzelfrequenzgang der beiden Chassis, Hochtöner verpolt (alle Referenzansichten gelöscht)

Die Phasenauslöschung ist behoben und der Frequenzgang hat sich linearisiert, allerdings mit stark steigender Tendenz. Oberhalb von 9 kHz tun sich jedoch gewaltige Ungereimtheiten auf und wir können davon ausgehen, dass der Mitteltöner daran nicht ganz unschuldig ist. Wie man am Einzelfrequenzgang der Chassis erkennen kann, spielt die Resonanz des Mitteltöners noch feste in den Hochtonbereich hinein. Das bedeutet, wir müssen steiler trennen. Machen wir doch den Schritt zur 12 dB Weiche.


Gesamt- und Einzelfrequenzgang der beiden Chassis, Hochtöner verpolt (alle Referenzansichten gelöscht)

Na also, jetzt kommen wir der Sache doch schon verdächtig näher. Bei 8 kHz scheint es allerdings immer noch Interaktionen zwischen Hoch- und Mitteltöner zu geben. Das kann eigentlich nur heißen, dass wir noch steiler trennen müssen, oder die Trennfrequenz des Mitteltöners tiefer liegen sollte. Wenn wir die Trennfrequenz tiefer legen, lösen wir das Problem nicht wirklich, sondern verschieben es weiter nach unten, weil die Resonanz des Mitteltöners dadurch nicht so effektiv bedämpft wird, als wenn wir ein steileres Filter verwenden. Versuchen wir es also mit einer steileren Trennung und verwenden die 18 dB/Oktave Variante.


gestrichelt: 12 dB, durchgezogen: 18 dB, Hochtöner verpolt,

Hoppla, jetzt ist die Phasenauslöschung wieder da und wir müssen den Hochtöner wieder "richtig" polen. Der Einfluss des Mitteltöners auf den Hochtöner hat sich trotz steilerer Trennung nicht sehr effektiv verringert, schade eigentlich, da hätten wir mehr erwartet. Ändern wir unsere Weiche zunächst wieder auf "korrekte" Polung, indem wir den Hochtöner wieder "drehen".


gestrichelt: 18 dB, durchgezogen: 18 dB, Hochtöner nicht verpolt

Jetzt sehen wir eine breitbandige Überhöhung mit einer Mitte bei etwa 2100 Hz. Wir sehen aber auch, dass sich der Hochtonbereich wieder beruhigt hat, na endlich. Die Überhöhung können wir umgehen indem wir die Trennfrequenz der Chassis auseinander ziehen, also sozusagen ein virtuelles "Loch" im Übertragungsbereich einbauen. Hier zeigt sich, dass bei gleichphasiger Abstrahlung der beiden Chassis ein Abfall von -3 dB bei Übergangsfrequenz zu wenig ist. Das wurde oben ja schon angedeutet. Wir sollten uns an dieser Stelle vielleicht mal die Impedanz und die Spannungsverläufe ansehen.


gestrichelt: 18 dB, durchgezogen: 18 dB, Hochtöner nicht verpolt

Der Impedanzverlauf ist im grünen Bereich, ein Maximum von ca. 32 Ohm ist ebenso wenig bedenklich wie ein Minimum von 5 Ohm. Was sagen denn unsere Spannungsverläufe?


beide Chassis 18 dB, Hochtöner nicht verpolt und mit Spannungsteiler

Hier sehen wir, wo das Problem liegen könnte. Während unsere -3 dB Frequenz für den Hochtöner immer noch bei 2300 Hz liegt, ist sie für den Mitteltöner bei ca. 2800 Hz und führt damit zu einer deutlichen Überhöhung. Hinzu kommt, dass es beim 18 dB Filter anscheinend eine Interaktion zwischen Chassis und Weiche gibt. Zu erkennen ist das am leichten elektrischen "Überschwinger" zwischen 1500 Hz bei 2300 Hz. Wenn wir nun den Mitteltöner etwas früher begrenzen, könnten wir unsere Trennfrequenz in den Griff bekommen, eventuell den Überschwinger wegfiltern und ganz nebenbei ein günstigeres Bündelungsverhalten im Übernahmebereich erzielen. Legen wir also die Trennfrequenz im Rechner mal auf 2000 Hz fest und übernehmen die Bauteile in Näherung in die Weiche. Hierbei ist zu beachten, NUR die Bauteile für den Mitteltöner zu in unser Weichenschaltbild zu übertragen, denn mit dem Hochtöner waren wir ja zufrieden.

Für die Weiche 3. Ordnung ergeben sich dann folgende Werte


gestrichelt 18 dB MT-Weiche bei 2300 Hz, durchgezogen 18 dB MT-Weiche bei 2000 Hz

Die Überhöhung ist deutlich schmaler geworden, aber immer noch da. Was kann man da machen und woran liegt das? Wenn man sich die Einzelfrequenzgänge der Chassis ansieht, fällt sofort auf, dass der Mitteltöner für diese Überhöhung verantwortlich ist.


gestrichelt 18 dB MT-Weiche bei 2300 Hz, durchgezogen 18 dB MT-Weiche bei 2000 Hz, Einzelfrequenzgänge der Chassis

Die Spannungsverläufe zeigen, dass die Weiche bei 1500 Hz offensichtlich immer noch einen Überschwinger produziert und noch nicht richtig funktioniert.

So ein Verhalten lässt sich oft beobachten, wenn die ansteigende Impedanz des Mitteltöners ein korrektes Arbeiten des Filters, das ja einen konstanten Widerstand erwartet, verhindert. Das lässt sich durch eine Impedanzlinearisierung des Mitteltöners positiv beeinflussen. Für die Impedanzlinearisierung hat Uwe G. uns auch ein Tool mitgeliefert.


Hinweis: Normalerweise gibt man hier den Rdc Wert des Chassis ein, in der Praxis hat sich jedoch die Verwendung des Nennscheinwiderstandes des Chassis als günstig erwiesen.

Weiterhin brauchen wir noch die Schwingspuleninduktivität, die ein guter Chassislieferant normalerweise mitliefert. VISATON liefert diesen Wert im Datensatz des AL130M mit. Man findet ihn im Menü "Chassis&Einbau". Dort wählt man das Chassis AL130M und geht auf den Reiter "weitere Daten". Im Falle des AL130M wären das also 8 Ohm und 0,75 mH. Boxsim gibt für diese Werte dann eine Impedanzlinearisierung von 8 Ohm und ca. 12 µF an. Der nächstliegende Wert für den Kondensator wäre 10 µF. Wir haben hier den Wert 15 µF gewählt weil es in unserer Gesamtkonzeption besser passt. Man kann mit Verändern dieser beiden Bauteile geringfügige Korrekturen im Frequenzgang erzielen wie wir weiter unten noch sehen werden. Wenn wir also die beiden Werte 8,2 Ohm und 15 µF in unsere Weiche einbauen.....

bekommen wir folgendes Ergebnis


gestrichelt 18 dB MT-Weiche bei 2000 Hz ohne Impedanzlinearisierung, durchgezogen mit Impedanzlinearisierung

Na, das ist doch mal eine Ansage oder? Eine Schwankung von ± 1 dB von 800 Hz bis 20 kHz ist ein Wert, den so manche Spitzenbox nicht vorweisen kann. Auch die Gesamtimpedanz ist wieder ausgeglichener geworden, wir haben nun kein "Gewackel" mehr im Übernahmebereich. Mal sehen, wie sich die Linearisierung auf die Sperrwirkung des Filters für den AL130M auswirkt. 


MT und HT mit 18 dB Filter, MT mit Impedanzlinearisierung, HT mit Spannungsteiler, Summe und Einzelfrequenzgang der Chassis


Wir haben eine symmetrische, recht steile Trennung unserer beiden Kandidaten. Durch die 18 dB Filter stellen wir sicher, dass keiner der beiden etwas macht was, eigentlich die Aufgabe des anderen wäre.
 

Hier jetzt die Beispiele für drei verschiedene Versionen der Impedanzlinearisierung. Man hat hier ein wirklich gutes Werkzeug zur feinfühligen Einstellung der Filterwirkung. 


Linearisierung mit 8,2 Ohm und 15 µF

Linearisierung mit 5,6 Ohm und 10 µF
gestrichelt mit 8,2 Ohm und 15 µF

Linearisierung mit 8,2 Ohm und 10 µF
gestrichelt mit 8,2 Ohm und 15 µF

Aber es kommt für uns noch besser. Auch der Frequenzgang unter verschiedenen Winkeln ist sehr gleichmäßig, woraus wir schließen können, dass der Lautsprecher auch im Raum gut funktionieren wird, da keine "anders klingenden" Schallanteile von den Seitenwänden reflektiert werden. 

Leichte Unterschiede von links nach rechts ergeben sich durch die dezentral angeordnete Monatageachse der Chassis. Wollen wir doch mal die Funktion der Weiche überprüfen, irgendwo hatten wir gehört, dass ein guter Frequenzgang nicht alles ist


Spannungsverlauf der Weiche, MT und HT mit 18 dB Filter, MT mit Impedanzlinearisierung, HT mit Spannungsteiler

Das sieht gut aus, die Sperrwirkung ist recht gleichmäßig und macht auch sonst keine Kapriolen. Schauen wir uns die Phasendrehungen der Konstruktion an, die wir im Reiter "Phasengang" finden. Auch hier macht unsere simulierte Box ohne Bass einen sauberen Eindruck. Die Phasendrehung des Mitteltöners bei 9 kHz spielt keine Rolle mehr, weil er hier mit -34 dB gegenüber dem Bezugpegel der Box von 87 dB, schon längst nicht mehr stören kann.

Was gäbe es noch zu bemerken bei einem Anfängerprojekt? Verschenken wir doch nichts was wir umsonst bekommen. Durch das Abschrägen der Gehäusekanten (2 cm Fase), kommt es zu einer marginalen Verbesserung ("ruhiger") im, für den Menschen wichtigen, Bereich zwischen 2 kHz und 4 kHz. Das Geschenk sollten wir unbedingt mitnehmen, allein der Glaube hilft.


gestrichelt ohne, durchgezogen mit Fase

Und so geht das, einfach noch mal in die Abteilung gemeinsames Außengehäuse wechseln und dort die Fasen eintragen.

Wir haben nun eine vernünftige Ausgangsbasis, um mit diesen Chassis einen gut funktionierenden Lautsprecher zu bauen. Wenn wir noch einen Bass drunter setzen wollen, geht man im Wesentlichen genau so vor. Der Mitteltöner braucht dann noch einen Weichenteil, der ihn nach unten begrenzt bzw. nur die hohen Töne passieren lässt (sog. Hochpass) und der Tieftöner braucht einen Tiefpass, wie der Mitteltöner ihn jetzt schon hat.

Wenn aber ein Tieftonlautsprecher im gleichen Gehäuse werkelt wie der Mitteltöner, so wird der Tieftöner mit seinen Druckschwankungen auf den AL130M einwirken, was dieser gar nicht mag. Wir müssen also den Mitteltöner vor den Wechselwirkungen des Tieftöners schützen. Das macht man üblicherweise mit einem extra Gehäuse für den Mitteltöner. Wie finden wir aber heraus wie groß dieses sein muss?

Richtig, da war doch der schlaue Rechenknecht und genau dort finden wir die Abteilung geschlossenes Gehäuse

und kommen zu folgendem Bildschirm.

Drücken wir nun auf den Button "Daten aus Chassisdatei laden" und holen die Daten des Mitteltöners AL130M aus der Liste. Der Bildschirm füllt sich mit Werten und es wird mit dem Vorgabewert "Qtc 0,7" automatisch ein Gehäuse berechnet.

Wir dürfen an dieser Stelle nicht vergessen, dass unsere 18 dB Weiche einen Vorwiderstand darstellt, der in die Gehäuseberechnung einfließen muss. Hatten wir eben noch ca. 7 Liter für den AL130M, so werden nun durch den Vorwiderstand der beiden Spulen von 0,8 Ohm 12,6 Liter fällig.

An der Stelle sei noch bemerkt, dass man keinen eigenen Menüpunkt "Bassreflex Box" hat. Wie man sieht, ist das Bassreflexgehäuse direkt in der Abteilung "Auslegung geschlossene Box" mitberechnet worden. Da muss man auch erst mal drauf kommen....

Das berechnete Volumen muss man nun noch im Menü "Chassis & Einbau" dem Gesamtsystem mitteilen.

Hier wählen wir das Chassis AL130M aus und gelangen zu folgendem Bildschirm

Geschlossenes Gehäuse wählen, Volumen eintragen, Bedämpfung auf "locker gefüllt" stellen und mit OK bestätigen.


gestrichelt: ohne MT-Gehäuse, durchgezogen: mit MT-Gehäuse

Diese Maßnahme hat in diesem Fall nicht sehr viel Auswirkung auf den Frequenzgang, dafür aber auf den Impedanzverlauf. Da eine Frequenzweiche nur richtig funktioniert, wenn sie auf den Impedanzverlauf korrekt abgestimmt ist wie wir gelernt haben, sollten wir das Mitteltöner-Gehäuse unbedingt in das Projekt einbeziehen bevor wir den Hochpass für den Mitteltöner konstruieren. Die minimalen Unterschiede im Bereich zwischen 200 Hz und 2000 Hz sind auf ein eingerechnetes Absorptionsmaterial zurückzuführen und vernachlässigbar.

HiFi-Selbstbau Fazit:

Wir hoffen, mit diesem Bericht für den Laien eine brauchbare Anleitung geschaffen zu haben, die ihn durch die Tücken einer sehr vielseitigen und sehr guten Software führt. Bei durchdachter und systematischer Arbeit sollte es möglich sein, auch mit eigenen Ideen einen Lautsprecher zu simulieren. Man darfi dabei allerdings nie vergessen, dass auch die beste Simulation eben genau das bleibt, eine Simulation. Messungen der Chassis im Gehäuse sind der nächste logische Schritt auf dem Weg zur perfekten Box. Wenn man diese Messungen dann in Boxsim lädt und weitersimuliert, führt das noch näher ans Ziel. Mit Boxsim kann man so genau simulieren, dass sogar Fertigungsschwankungen der Chassis kompensiert werden können. Kontrollmessungen am fertigen Lautsprecher und Feintuning mit bekannten Musikkonserven sind nach unserer Meinung unabdingbar, um auch den letzten Rest aus der Kombination zu holen.

Man hat mit Boxsim ein mächtiges Werkzeug an der Hand, muss sich aber darüber im Klaren sein, dass nur optimierte Daten, ständiges Messen und Hören zum Erfolg führen. Kiste bauen, Löcher sägen und passt, dürfte einem Lottogewinn gleichkommen.

Wer mit dem Projekt ein wenig weiter experimentieren möchte, findet hier einen Datendownload

Wir entwickeln zur Zeit aufgrund der Chassisteste und den ersten Versuchen im unserem Testgehäuse, den Dreiwegelautsprecher TRIO. Hier erfährt die Mittel-Hochtonabteilung Unterstützung von einem 250 mm Aluminiumbass, der sich ebenso perfekt in das Projekt integrieren lässt wie der AL130M und der KE25SC. Im kommenden Artikel "Boxsim für Fortgeschrittene" wird dann die Einarbeitung der Messdaten in Boxsim und die Fertigstellung der TRIO besprochen.

Nachtrag

Nach Veröffentlichung dieses Textes hat Uwe G. sofort reagiert und einen kleinen Hilfetext ins Programm integriert. Dieser soll dem Anfänger über die ersten Hürden hinweghelfen. Weiterhin heißt der Menüpunk zur Berechnung von Gehäusen jetzt nicht mehr "Auslegung geschlossene Box", sondern "Auslegung geschlossene / Bassreflex-Box" Die neue Version trägt die Versionsnummer 1.02b (Stand 27.06.06) und kann auf der Seite des Autors geladen werden.

Kompliment !!

 

 

Kommentare  

# Detlef 2013-07-19 20:04
Guten Tag :P

Ich suche schon länger den Artikel "Boxsim für Fortgeschrittene"
Ist der irgendwo zu bekommen ? Würde mich sehr freuen ...
Überhaupt ist der Artikel (Anleitung) zu Boxsim echt gelungen und
lassen mein alte Visaton LS wieder zu neuem Leben erwecken, danke

MfG Detlef aus Wuppertal
# Theo 2013-07-22 14:53
Hi,

einen Artikel für Fortgeschritten en gibt es bei uns leider nicht. Welche Fragen hättest Du denn?

:-) Theo
# Jürgen 2013-07-08 14:21
Nachtrag
entschuldige bitte den Doppelpost.
FF vermisst die korrekten Beendigungstags für die Bild Darstellungen.
Das wäre also überall dahinter wo ein Bild mit platziert wird. Dann ist es auch im FF korrekt. IE macht das automatisch.

Die korrigierte txt-Datei kannst Du Dir hier
http://www.2shared.com/document/ck_-tooK/Boxsim__Anfnger_.html runterladen und danach wieder in "*.htm" umbenennen.
viele Grüße und allerbesten Dank für das vorzügliche Tutorial
Jürgen aus Thüringen
-1 # Jürgen 2013-07-08 12:07
hallo Theo,
im Internet-Explor er ist die Seitendarstellu ng ok, diese Überlagerung im letzten Teil macht mein Firefox 22 auch.
# jörg 2012-07-29 23:38
hallo, auch ich kann den text nur zu ca 2/3 gut lesen danach gibt es totale überlagerungen . jörg
# Theo 2012-07-30 12:20
Hallo,

habe gerade wieder mit 3 Browsern geschaut und den Text nochmal neu gespeichert. Firefox, Chrome, I-Explorer, ich kann kein Problem finden. Es muss tatsächlich an einer Einstellung in eurem Rechner liegen. Habe ein Problem einen Fehler zu identifizieren und zu beseitigen den ich selbst nicht sehen kann. :unsure:

Der Text wurde bisher fast 60000 mal gelesen, wenn es da ein größeres Problem gäbe, müssten wir das doch wissen? Sorry
# plüsch 2012-02-15 12:41
Hallo,
wollte mir Boxsim für Anfänger durchlesen, was bis etwa 2/3 des Beitrages möglich ist.
Im letzten drittel sind der Text und die Graphen überlagert dargestellt,
will heißen, kann nix lesen. :dry:
Liegt das an der Seite oder an meinem PC ?

Danke

Gruß plüsch
# Theo 2012-02-17 00:08
Hallo Plüsch,

habe mir gerade den Text mit verschiedenen Browsern angeschaut (Chrome, Firefox, Explorer), lässt sich kein Fehler feststellen. Welchen Browser und Betriebssystem nutzt Du?

:-) Theo
# plüsch 2012-02-17 05:43
Hallo Theo,
benutze Win XP + Firefox 10.0.1
gerade nochmal geschaut,
ab Zitat:
Hinweis: Normalerweise gibt man hier den Rdc Wert des Chassis ein, in der Praxis hat sich jedoch die Verwendung des Nennscheinwiderstandes

sind Text und Bilder überlagert.
# Theo 2012-02-17 12:10
Hi plüsch,

auch die Stelle ist bei OK, alles normal. Ich habe den Text jetzt aber nochmal durch meinen Editor aufräumen lassen, vielleicht hat sich für Dich ja etwas verbessert. Die betreffende Stelle habe ich mal in einer 8 Pt Schrift abgebildet.

:-) Theo
# plüsch 2012-02-18 12:25
Hallo Theo,
vielen Dank für deine Bemühungen,
leider tut das nicht.
Vielleicht habe ich in meinem Browser irgendwas auf doof stehen.
Muß mir das mal auf einem anderen PC ansehen.

Gruß plüsch
# plüsch 2012-02-20 03:17
Bin jetzt an meinem anderen PC und das gleiche Ergebniss.
Vielleicht ist der Beitrag für meine Browsereinstell ungen zu lange und ich hab keinen Plan an welchem Rädchen ich drehen muß. :sad:

Gruß plüsch
# Christian 2011-05-02 21:42
Hi,
ich hab ne kleine Frage zur angezeigten Impendanz der Gesamtbox( Wird im letzten Bild als Impendanz Verstärer 1 dargestellt)Und zwar würde ich gern wissen ob diese den Späteren anschluswiderst and der Box dastelt ?

MFG Chris
+1 # Uwe S. 2010-04-13 00:26
Ein riesiges Dankeschön für die unterhaltsam und einfach geschriebene Einleitung in ein kompliziertes Gebiet. Ihr habt es wirklich geschafft einen Schritt für Schritt mitzunehmen und anhand von Beispielen für ein besseres Verständnis zu sorgen. Inhaltlich habe ich wirklich sehr viel dazugelernt. Ihr wollt wirklich etwas rüber bringen und nicht nur mit Eurem Wissen prahlen (dies ist leider in den Foren meist so verbreitet wie ich finde)

Gruß aus Darmstadt
Uwe

PS: Ich habe mir gerade das Programm CAAD 4.2 von maonacor bestelle. Gerne wäre ich bei Boxsim geblieben was mich wirklich überzeugt hat (als Anfänger), jedoch fehlen mir hier die Messdaten der Monacor Chassis die ich verbaut habe. Das neue Programm wird die kommenden Tage bei mir eintrudeln. Ich bin gespannt auf die Unterschiede.
+1 # Theo 2010-04-14 02:05
Hallo Uwe,

danke für das Kompliment. Das Monacorprogramm haben wir auch bestellt, mal sehen was es kann. Wenn es sich lohnt darüber zu schreiben, werden wir das sicher machen.

:-) Theo

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