Dynaudio Compound 5, Istzustand (Teil3)

Tuning einer DYNAUDIO Compound 5: Weiche Istzustand (Teil 3)

Nach der Raumakustik und den Chassismessungen geht es im 3. Teil darum, ein Boxsim-Modell des Istzustandes zu erstellen und das Modell mit Messungen und Musikhören zu verifizieren.

Obwohl Boxsim den Einfluss des Gehäuses simulieren kann ist es immer günstiger, die Chassis im Gehäuse zu messen, zumal das hier vorliegende Gehäuse mit seiner vorgesetzten Teilfront so nicht in Boxsim zu simulieren ist. Fragt sich nur:

• in welchem Abstand soll die Messung erfolgen?
• in welcher Höhe soll gemessen werden?

Boxsim simuliert den Summenfrequenzgang nicht in einer bestimmten Entfernung sondern im Unendlichen. Wenn man also den vertikalen Abstand der Chassis ändert dann ändert sich zwar der Effekt der Schallwand auf den Frequenzgang, auf die Überlagerung der Einzelchassis hat dies aber keinen Einfluss. Demzufolge müsste man jedes Chassis "alleine" messen, also in Höhe des jeweiligen Chassismittelpunktes, damit die Überlagerung im Unendlichen stimmt. "Dummerweise" kann man das Ergebnis im Unendlichen nicht nachmessen, muss also bei der Überprüfung des Modells dann doch an einer realen Position messen die unterschiedliche Wege zu den einzelnen Chassis hat was so nicht im Modell vorgesehen ist - ein Dilemma.

Bei einer 2-Wege-Box mit einer "üblichen" Trennfrequenz von 2 kHz kann man dieses Dilemma umgehen, indem man ein Boxsim-Modell erstellt, das vor allem den Übergangsbereich möglichst genau abbilden will. Dann kann man in etwas höherem Abstand messen (ca. 50 bis 100 cm) und einen Messpunkt wählen, an dem der Unterschied der Abstände zwischen Tiefton -> Mikrofon und Hochton -> Mikrofon genau so groß ist wie an der späteren Hörposition:

Bei maximal 18 cm auseinander liegenden Chassis und 50 cm Messabstand zur Frontplatte beträgt der vertikale "Winkelfehler" dann nur < 10° und ist in der Regel zu vernachlässigen. Der Vorteil der Vorgehensweise ist, dass man sich über den genauen Schallentstehungsort keine Gedanken machen muss wenn man die Auswertung an derselben Stelle beginnt (s. Kasten). Außerdem kann man die Simulation an demselben Punkt auch überprüfen - ein unschätzbarer Vorteil.

Akustische Phase und Schallentstehungsort (SEO) Bei Programmen, die auf der Auswertung der (2-kanalig gemessenen) Impulsantwort beruhen (wie z.B. ARTA, Clio, HobbyBox etc.), wird die akustische Phase davon beeinflusst, bei welchem Abtastwert die Analyse gestartet wird. Wo der "wirkliche" SEO liegt ist dabei egal. Wichtig ist nur, dass beim Vergleich mehrerer Chassis die relativen Zeit- bzw. Phasenbeziehungen stimmen. Bei einem Mehrwegesystem ist es daher am einfachsten, wenn alle Analysen bei demselben Zeitpunkt starten - sofern der Abstand zu einer gemeinsamen Bezugsebene (z.B. der Schallwand) konstant ist. Wird die Analyse bei einem Chassis "früher" gestartet, dann liegt der angenommene SEO weiter "vor" der Schallwand. Das muss dann ggf. dem Simulationsprogramm mitgeteilt werden, damit die Überlagerung der Chassis phasenrichtig erfolgt. Auf diese Weise kann man auch unterschiedliche Laufzeiten der Chassis zu einem angenommenen Hörpunkt berücksichtigen.

Da die Mittelpunkte der Chassis beim vorliegenden 4-Wege-System um 59 cm auseinander liegen hätte eine Messung an einem gemeinsamen Punkt in mindestens 160 cm Abstand erfolgen müssen damit der Winkelfehler < 10° bleibt. Wegen der dann unvermeidlichen Raumrückwirkungen wäre das Modell nicht "schön" geworden. Bei den Chassismessungen haben wir mehrfach Messungen in 20 und 50 cm verglichen und festgestellt, dass sich nahezu deckungsgleiche Verläufe ergeben haben. Die Messungen für das Boxsim-Modell wurden daher in 20 cm Abstand von der Frontplatte gemacht, und zwar unter 15°, da dort die auf Achse deutlich in Erscheinung tretenden Schallwandeinflüsse "automatisch" ausgeblendet wurden. Der Einfachheit halber wurde die Analyse jeweils bei demselben Abtastwert gestartet (s.o.).

Wie man z.B. die Daten von ARTA in Boxsim importiert und was dabei im Detail zu berücksichtigen ist haben wir bereits im Artikel ARTA-Messungen in Boxsim-Projekten nutzen (nur für Abonnenten) erläutert.

Die Eingabe der Weichenbauteile gestaltet sich gar nicht so einfach, denn so langsam wird es bei einem 4-Wege-System eng auf der Boxsim-Eingabemaske (man muss schon die Einstellung Fenstergröße "klein" wählen):

Hinweis: die "krummen" Kondensatorwerte ergeben sich durch Parallelschaltung mehrerer Einzelkondensatoren
-> man achte darauf, dass alle Chassis gleich gepolt sind!

Damit ergibt sich folgendes Simulationsergebnis mit Boxsim (unter 15°):

Abonnenten können hier das entsprechende Boxsim-Modell (ZIP-Datei, 71 kB) herunterladen

Und das wurde im Hörraum in 1m Abstand in Höhe des Hochtöners gemessen (unkalibriert, 0°):

-> wie beim Boxsim-Modell ist der Gesamtpegel bis 4 kHz breitbandig um ca. 2 dB höher als die Einzelpegel

Obwohl unser Hörraum deutlich stärker bedämpft ist als der Hörraum des Besitzers der DYNAUDIO Compound5 war die etwas zu helle Tendenz wieder zu erkennen und nervte auch bei uns bei manchen Stücken (s. Teil 1). Damit kommt dem Direktschall offenbar eine höhere Bedeutung zu als den Raumreflexionen (die bei uns ja deutlich geringer ausfallen). Dieser "Wiedererkenungswert" ist sehr wichtig, weil wir nur dann davon ausgehen dürfen, dass die in unserem Raum gefundene neue Weichenabstimmung auch im Hörraum des Besitzers ähnlich funktionieren wird (mit Ausnahme des Bassbereichs).

Und hier die Messung der Einzelbeiträge in 20 cm Abstand (unkalibriert, 0°):

-> Der Verlauf der Einzelchassis entspricht recht gut dem Modell

Auffällig ist:

• im Bereich der Übernahmefrequenz überlappen sich jeweils beide beteiligten Chassis sehr breit
• der Mitteltöner wird an den Bereichsenden nur sehr unzureichend aus dem Rennen genommen
• Hoch- und Superhochtöner haben nur einen sehr flachen Abfall zu tiefen Frequenzen
• der Superhochtöner erreicht nicht vollen Pegel, erhöht dennoch den Pegel des Hochtöners > 6 kHz um 1.5 dB

Bei einer so breiten Überlappung von Chassis ändert sich üblicherweise der Frequenzgang recht stark mit der Mikrofon- bzw. Ohrhöhe:

-> eieieieiei, das geht ja > 2 kHz drunter und drüber!

Wie sieht dann das Ganze am Hörplatz aus:

-> bei 3 und 5 kHz zeigen sich Einbrüche am Hörplatz
-> der erhöht den Pegel breitbandig um ca. 2 dB > 6 kHz

Und wie sieht der Impedanzverlauf und der Energiefrequenzgang aus?

-> im Mitteltonbereich sieht der Energiefrequenzgang recht inhomogen aus

Wie sieht den der Spannungsverlauf an den Chassis aus?

-> die Filterung des Mitteltöners funktioniert nicht so recht
-> was macht der Bass denn da für einen Buckel?

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Was funktioniert wie?

Das ist ein gutes Stichwort mal die einzelnen Zweige zu analysieren. DYNAUDIO war ja ein "militanter" Vertreter der 6 dB-Weichen. Damals betrachtete man das Ganze rein elektrisch, heute weiß man, dass es nur auf die akustische Filterfunktion ankommt, ganz egal was man dafür elektrisch anstellen muss. Weder das eine noch das andere wird deutlich erkennbar eingehalten - mit Ausnahme vielleicht des Superhochtöners.

Beim Bass z.B. wird ja deutlich mehr als 1 Bauteil verwendet. OK, die Schaltung aus 3.9 Ohm und 62 uF kennen wir als Impedanz-Linearisierungs-Schaltung:

(graue Linie = Bass direkt, braune Linie = 3.9 Ohm + 62 uF parallel zu Bass)
-> vernünftige Impedanzlinearisierung

Der Wert für den Widerstand wird etwa so groß gewählt wie die minimale Impedanz, und der Kondensator wird so lange angepasst, bis der Impedanzverlauf möglichst linear ist.

Aber was soll die Schaltung bestehend aus 37 uF, 1.0 mH und 3.3 Ohm parallel zum Bass? Das ist doch ein Saugkreis, also eine Schaltung, die bei ganz tiefen und ganz hohen Frequenzen eine sehr hohe Impedanz hat (und damit quasi wirkungslos ist). Nur im mittleren Frequenzbereich sinkt die Impedanz auf den Wert des Widerstandes, erniedrigt daher die Impedanz, die davor liegende Bauteile "sehen", und erhöht daher deren Wirkung in diesem Frequenzbereich. Die Mittenfrequenz des Saugkreises berechnet sich zu:

F_m [Hz] = 1 / (2 · Pi · Wurzel ( C [F] · L [H] ) ) = 5033 / Wurzel ( C [uF] · L [mH] )

In diesem Falle also 827 Hz. Das folgende Bild zeigt das Verhalten nur mit der 2.2 mH-Spule (blass) und zusätzlich mit dem Saugkreis:

-> der Saugkreis "verrundet" den Knick bei 1 kHz und bewirkt einen mittleren Schalldruckabfall von 12 dB/Oktave

Von wegen 6 dB Weichen . . .

 

Passiver Allpass beim Mitteltöner

Besonders spannend ist aber die "komische" Schaltung des Mitteltöners. Alte Hasen kennen das als Allpass-Schaltung, eine damalige Spezialität der DYNAUDIO-Mannen. Ein Allpass soll ALLe Frequenzen mit gleicher Amplitude PASSieren lassen und nur die Phase drehen. Damit wollte man vermeiden, dass der Mitteltöner invertiert werden muss. Aber wie funktioniert das? Leider findet man so gut wie nichts im Internet zum Thema passiver Allpass, aber zum Glück gibt es ja Boxsim, da kann man das einfach ausprobieren. Nehmen wir mal zunächst ein ideales Chassis mit konstantem Impedanzverlauf von 8 Ohm (braune Kurve) und konstantem Schalldruckpegel von 90 dB (schwarze Kurve):

Wenn man das Chassis wie folgt beschaltet

bleibt die Amplitude und die Impedanz konstant, allerdings dreht sich die Phase bei tiefen Frequenzen um 180°:

Abonnenten können hier das entsprechende Boxsim-Modell (ZIP-Datei, 2 kB) herunterladen

Die Schaltung wurde so ausgelegt, dass sich bei 1 kHz (Mittenfrequenz des Allpasses F_m) genau eine Phasendrehung von 90° ergibt. Dazu müssen sowohl die Spulen als auch die Kondensatoren bei 1 kHz dieselbe Impedanz haben wie der Lastwiderstand R_Last:

L_AP [H] = R_Last [Ohm] / ( 2 · Pi · F_m [Hz] ) bzw. L_AP [mH] = 159.2 · R_Last [Ohm] / F_m [Hz]

C_AP [F] = 1 / ( 2 · Pi · R_Last [Ohm] · F_m [Hz] ) bzw. C_AP [uF] = 159200 / ( R_Last [Ohm] · F_m [Hz] )

In diesem Fall (R_Last = 0 Ohm und F_m = 1000 Hz also 1.27 mH und 19.9 uF. So weit zur Theorie. Nur leider hat ein Lautsprecherchassis keinen linearen Impedanzverlauf. Was passiert denn nun beim DYNAUDIO D76-AF, wenn man ihn mit der Allpass-Schaltung simuliert, also ohne den Bandpass bestehend aus 28 uF und 0.39 mH?

Boxsim sei Dank ist das ja kein großes Problem:

-> von wegen Allpass, da wird auch ganz schön der Frequenzgang verbogen (allerdings in die richtige Richtung)!

Das passiert, weil der Impedanzverlauf - trotz Spannungsteiler - nicht linear verläuft! Aus demselben Grund funktioniert auch die Trennung nach unten nicht vernünftig.

Ganz so eng haben die DYNAUDIO-Leute das mit den 6 dB-Weichen wohl auch nicht gesehen. Das war wohl mehr der Versuch sich abzusetzen (heute würde man sagen "Marketing"). Immerhin haben sie die Chassis so konstruiert, dass sie eine Hochpassfilterung mit "nur" 6 dB/Oktave mechanisch überhaupt überstanden haben. Das ging auch nur unter Verwendung des damals gerade aufkommenden Ferrofluids bei den Kalottenchassis.

Zur Weichenschaltung beim Hoch- und Superhochtöner gibt es nicht viel zu sagen. Äußerst überraschend ist jedoch, dass der Superhochtöner den Gesamtpegel > 6 kHz um ca. 1.5 dB anhebt obwohl er bis zu 10 dB leiser ist als der Hochtöner!

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Soweit zur Analyse der Weiche. Bei der modifizierten Weiche soll vor allem der Mitteltonbereich besser gefiltert und die Überlappungsbereiche reduziert, also die Flankensteilheit erhöht werden. Hier geht es zurück zum Übersichtsbeitrag und von dort ggf. weiter zu den anderen Teilen.