10 Zoll Subwoofer Chassis, eine Untersuchung

10-Zöller mit viel "Hubraum" - welcher für welche Anwendung?

In letzter Zeit gab es mit dem REDCATT SW10.8AM (Alu-Membran) und dem REDCATT SW10.8PM (Papier-Membran) gleich 2 Neuzugänge im Feld der langhubigen Tieftöner mit 25cm Nenndurchmesser. Zusammen mit dem PEERLESS XXLS10 und dem VISATON TIW250XS haben wir damit 4 langhubige 10-Zöller getestet, damit stellt sich die Frage: nach dem Sinn solcher Chassis welcher für welche Anwendung geeignet ist.

Dank bis zu 13.25mm (rechnerisch) linearem Hub können trotz "nur" 324 cm² Membranfläche immerhin 429 cm³ Luft verschoben werden - dafür braucht ein typischer 12-Zöller (mit einer Membranfläche von 530 cm²) einen linearen Hub von 8.1 mm oder ein typischer 15-Zöller (mit einer Membranfläche von 830 cm²) einen linearen Hub von 5.2 mm. Diese langhubigen 10-Zöller können also schon durchaus hohe Schalldrücke im Bassbereich erzeugen - wenn denn genügend Verstärkerleistung zur Verfügung steht. Denn was nutzen 13 mm linearer Hub, wenn dem Verstärker schon nach 5 mm die Puste ausgeht?
Darüber hinaus taucht auch immer wieder die Diskussion in den diversen Foren auf ob man Membranfläche durch einen langen Hub ersetzen kann, aber das ist eine andere Untersuchung.

Hier muss auch noch bemerkt werden das dieses Thema ein sehr trockenes ist und man sicherlich die ein oder andere Passage mehrfach lesen sollte.

Für die Beurteilung der langhubigen 10-Zöllers sollen daher 2 Anwendungsfälle betrachtet werden:

1. • Reine Subwooferanwendung in möglichst kompaktem Gehäuse mit handelsüblichen Plateamps

2. • Anwendung in einem 3-Wege-System mit 500 Hz Trennfrequenz und passiver Weiche bzw. 3-Wege-Plateamp HYPEX FA253
   
   

   Das Ziel ist sicherlich:
   
   

• • in einem möglichst kleinen Gehäuse

• • möglichst tief zu kommen

• • dabei möglichst hohe Schalldruckpegel im Tiefbass erzeugen zu können

• und das Ganze zu einem geringen Gesamtpreis (Chassis + Verstärker + ggf. Passivstrahler)

Die Chassis:

Hier zunächst mal die Gegenüberstellung der technischen Daten und Preise der 4 Chassis:

• der PEERLESS XXLS10 und die beiden REDCATT-Chassis liegen in vielen relevanten Parametern (z.B. Pel, Vd, Mms, Eta, Max. SPL) nah beieinander; der PEERLESS XXLS10 und der REDCATT SW10.8AM sind sich ähnlich, der REDCATT SW10.8PM geht nicht ganz so tief

• • der VISATON TIW250XS kann "nur" 270 cm³ Luft verschieben und damit ca. 4 dB weniger Schalldruck im Tiefbassbereich erzeugen als die anderen

• • durch eine höhere Belastbarkeit (+ 3 dB) und einen höheren Wirkungsgrad (+ 3 dB) kann er bei "höheren" Frequenzen ca. 6 dB mehr Schalldruck erzeugen als die anderen

• • die beiden REDCATTs kosten nur etwa die Hälfte vom PEERLESS XXLS10 bzw. VISATON TIW250XS

Da scheinen die beiden REDCATTS ja in Punkto Hubraum pro Euro mit 3.64 bzw. 3.87 cm³/€ das Rennen gemacht zu haben. Der PEERLESS XXLS10 kommt nur auf 1.83 cm³/€‚¬ und der VISATON TIW250XS liegt mit 1.17 cm³/€‚ abgeschlagen auf dem letzten Platz.

Das Gehäuse:

Die "idealen" Gehäuseparameter für die einzelnen Chassis sind laut unserem ONLINE-Rechner:

Man beachte die SEHR langen Bassreflexrohre (außer beim VISATON TIW250XS) und das dadurch benötigte Zusatzvolumen bei Ausführung als 30 cm breiter Kanal. Selbst bei einem Subwoofer wären die Rohrresonanzen ab 230 Hz ggf. kritisch.

Wenn man diese Werte in WinISD V0.7 eingibt ergeben sich folgende Kurven für die geschlossenen Gehäusevarianten:

• • trotz einer höheren unteren Grenzfrequenz und eines geringeren Verschiebevolumens kann der VISATON TIW250XS dank des höheren Wirkungsgrads (und der höheren Belastbarkeit) schon oberhalb von 45 Hz mehr Schalldruck erzeugen als die anderen

• • der PEERLESS XXLS10 und der REDCATT SW10.8AM verhalten sich sehr ähnlich, wobei der REDCATT im 9% größeren Gehäuse 5% tiefer spielt
  
  

Für die "idealen" Bassreflex-Varianten ergeben sich in WinISD V0.7 die folgenden Kurven (ohne Berücksichtigung der Rohrresonanzen):

• • trotz einer höheren unteren Grenzfrequenz und eines geringeren Verschiebevolumens kann der VISATON TIW250XS dank des höheren Wirkungsgrads (und der höheren Belastbarkeit) schon oberhalb von 30 Hz mehr Schalldruck erzeugen als die anderen

• • bei 100 Watt Eingangsleistung ist die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr beim VISATON TIW250XS um 30 Hz am höchsten

• • der PEERLESS XXLS10 und der REDCATT SW10.8AM verhalten sich sehr ähnlich, wobei der REDCATT im 18% größeren Gehäuse 10% tiefer spielt
  
  

Bei beiden Gehäusevarianten können die "Extrem-Langhuber" (XXLS10, SW10.8AM und SW10.8PM) ihren Hubvorteil nicht ausnutzen, da ihre Dauerbelastbarkeit zu gering ist. Wenn man diese bei allen Chassis mal auf 500 Watt setzt (= kurzzeitige Spitzenbelastbarkeit) zeigen sich erst die Unterschiede. Zunächst im idealen geschlossenen Gehäuse (Qtc = 0.707):

• • die 3 "Extrem-Langhuber" können unterhalb von 60 Hz im geschlossenen Gehäuse 4 dB mehr Schalldruck erzeugen - wenn Sie genügend Leistung bekommen; der TIW250XS kann ab 80 Hz seinen Wirkungsgradvorteil von 3 dB ausspielen

• • der REDCATT SW10.8PM benötigt < 55 Hz die höchste Leistung, weil er im kleinsten Gehäuse eingebaut ist und die höchsten Gegenkräfte überwinden muss.

Und nun im "idealen" Bassreflexgehäuse:

• • der VISATON TIW250XS kann trotz geringerem linearen Hub bis 32 Hz gut mithalten und - bis auf eine kleine "Delle" zwischen 45 und 65 Hz - die höchsten Schalldruckpegel erzeugen

• • der PEERLESS XXLS10 und der REDCATT SW10.8AM können selbst bei 500 W Verstärkerleistung ihren Hubvorteil erst unterhalb von 32 Hz ausspielen; dank der tieferen Abstimmfrequenz (hier produziert das Bassreflexrohr den größten Teil des Schalldrucks) können bei 23 Hz immer noch 105 dB Schalldruck erzeugt werden

• • der REDCATT SW10.8PM tut sich beim Thema maximaler Schalldruck zwar nicht hervor, kommt aber mit dem geringsten Volumen aus
  
  

Der Verstärker:

Bei den Aktivvarianten brauchen wir ja auch noch einen (Einbau-) Verstärker. Bis auf die beiden MONACOR-Module wurden nur Module mit DSP berücksichtigt, da im Bassbereich eine Raumentzerrung zwingend notwendig ist. Nur bei Surround-Systemen mit einen guten Einmesssystem (z.B. Audyssey MultEQ XT32) oder einer Gesamtentzerrung mit Acourate, Dirac, Trinnov oder ähnlichen Tools kann auf eine DSP-Option verzichtet werden:

• • aktuelle Einbauverstärker sind durch die Bank Class-D Endstufen, die an 4 Ohm in der Regel die doppelte Leistung abgeben als an 8 Ohm, da das Schaltnetzteil nur eine begrenzte Spannung zur Verfügung stellen kann während die Stromlieferfähigkeit vor allem thermisch begrenzt ist

• • -> 500 Watt Verstärkerleistung an 8 Ohm sind nur mit Brückenschaltung zu erreichen und schlagen mit mindestens 500 €‚¬ (inkl. DSP) zu Buche; an 4 Ohm gibt es 450 DSP-Watt schon für 400 €‚¬, ohne DSP bereits ab 260 €
  
  

Und schon schmilzt der Preisvorteil der REDCATT-Chassis zusammen, da man mehr in die Verstärker investieren muss um die Chassisvorteile (höheres Verschiebevolumen) überhaupt nutzen zu können . . .

Der Passivstrahler:

Bei 500 Watt Verstärkerleistung ist natürlich auch die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr um den Faktor Wurzel(500 [W] / 100 [W]) = 2.24 höher. Dadurch würde die empfohlene maximale Strömungsgeschwindigkeit von 5% der Schallgeschwindigkeit (= 343 m/s) um mehr als das doppelte überschritten, es wäre also ein größerer Rohrquerschnitt und damit ein noch längeres Rohr nötig um Strömungsgeräusche zu unterbinden . . .

Da hilft dann nur ein Passivstrahler - der natürlich auch noch einmal zu Buche schlägt. Die Anforderung an einen Passivstrahler ist, dass das doppelte Luftvolumen verschoben werden kann als vom "aktiven" Chassis. Bei gleichem Membrandurchmessen wäre das also der doppelte lineare Hub - ob das bei bis zu 13.25 mm linearem Hub des aktiven Chassis noch klappt?

Darüber hinaus sollte die mechanische Güte Qms des Passivstrahlers möglichst hoch sein, denn sie bestimmt die maximal mögliche Verlustgüte Qb des Bassreflexsystems.

Die Abstimmfrequenz des Bassreflexsystems wird durch Tuning der Resonanzfrequenz des Passivstrahlers erreicht; dafür werden entsprechende Zusatzmassen angeschraubt.

Bei der Resonanzfrequenz des Passivstrahlers gibt es einen Einbruch im Gesamtfrequenzgang, daher sollte die Resonanzfrequenz des Passivstrahlers mindestens 1 Oktave unter der unteren Grenzfrequenz liegen.

Der ideale Heimkinosubwoofer:

Als Chassis bieten sich hier der PEERLESS XXLS10 und der REDCATT SW10.8AM an, wobei der XXLS10 als 4-Ohm-Chassis geringere Anforderungen an den Verstärker stellt. Es wird davon ausgegangen, dass jeweils 250 Watt Verstärkerleistung zur Verfügung stehen.

Um möglichst tief zu kommen wählen wir ein Gehäusevolumen von 45 Litern und stimmen es auf 25 Hz ab. Um die Unterschiede der beiden Passivstrahler gegenüber der Bassreflexvariante zu zeigen wird zunächst der PEERLESS XXLS10 eingesetzt. Der Passivstrahler DAYTON RSS265-PR muss für eine Abstimmfrequenz von 25 Hz noch 85 gr beschwert werden (-> die Freiluft-Resonanzfrequenz sinkt von 19.6 auf 16.4 Hz). Der Passivstrahler SCAN-SPEAK 26W/0 ist mit 400 gr bewegter Masse für das 45 Liter Gehäuse schon zu schwer und erzeugt eine zu geringe Abstimmfrequenz von 19.4 Hz. Dieses Mal wurde in WinISD unter "Advanced" die Option "use "transmission line"-model for port simulation" gewählt um die Stehwellen im BR-Rohr zu zeigen:

• • trotz korrekter Abstimmfrequenz ist die Variante mit dem DAYTON Passivstrahler zwischen 50 und 25 Hz um bis zu 1.2 dB leiser als die Bassreflexvariante; mit dem SCAN-SPEAK-Passivstrahler sind es bis zu 2.2 dB

• • trotz 10 cm durchmessendem Bassreflexrohr treten bei 250 Watt Eingangsleistung bei 21 Hz Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 22.65 m/s auf, und damit 33% mehr als die Empfehlung von 17 m/s (= 5% der Schallgeschwindigkeit)

• • der beschwerte DAYTON-Passivstrahler überschreitet bei 250 Watt Eingangsleistung unterhalb von 25 Hz seinen linearen Bereich

• • bei der Variante mit beschwertem DAYTON-Passivstrahler überschreitet der XXLS10 bei 250 Watt Eingangsleistung unterhalb von 23 Hz und zwischen 31 und 41 Hz seinen linearen Bereich

Der Vorteil der Variante mit beschwertem DAYTON-Passivstrahler liegt im kompakteren Gehäuse (trotz identischem "Nutzvolumen" Vb), denn es muss nicht auch noch der Bassreflexkanal untergebracht werden: bei 76.2 cm Länge und 10 cm Durchmesser bzw. 78.5 cm² Querschnitt würde ein abgeknicktes Rohr aus 16 mm MDF immerhin ein zusätzliches Volumen von 8.34 l benötigen. Wenn das Gehäuse für das Aktivmodul 3 Liter "verbraucht" und das Chassis ca. 1 Liter müsste das Gehäuse für die Variante mit DAYTON-Passivstrahler ca. 37 x 37 x 37 cm (= 50.65 dm³) groß sein, für die Bassreflexvariante wären ca. 39 x 39 x 39 cm (= 59.32 dm³) fällig.

Der Nachteil der Variante mit beschwertem DAYTON-Passivstrahler ist der geringere Tiefgang und der geringere maximale Schalldruck. Allerdings darf man davon ausgehen, dass der Frequenzgangvorteil der Bassreflexvariante unter 50 Hz bei sehr hohen Pegeln durch die Strömungsverluste ist Bassreflexrohr geringer ausfällt als simuliert.

Abschließend noch einmal der Vergleich des PEERLESS XXLS10 mit dem REDCATT SW10.8AM im identischen Bassreflexgehäuse von 45 Liter, auf 25 Hz abgestimmt:

Im identischen Gehäuse verhalten sich beide Chassis weitgehend identisch, der PEERLESS hat halt nur den "Vorteil" der geringeren Impedanz: preislich dürfte die Kombination aus Chassis und Class-D-Verstärker ungefähr gleich teuer werden . . .

Der ideale 3-Wege-Tieftöner:

Bei einer passiven Weiche diktiert in der Regel der Spannungswirkungsgrad des Tieftöners den Gesamt-Spannungswirkungsgrad des Lautsprechers. Greift man hier z.B. zum REDCATT SW10.8AM mit gemessenen knapp 85 dB/2.83V/m im Halbraum bzw. 79 dB/2.83V/m im Freifeld, dann müssen Mittel- und Hochtöner entsprechend "eingebremst" werden. Die "überschüssige" Spannung wird in der Weiche durch Widerstände in Wärme umgewandelt: bei 10 dB Differenz im Spannungswirkungsgrad werden dann im Mittel-/Hochtonbereich 90% der Leistung in der Weiche "verbraten" - dann sollte man tunlichst Widerstände mit entsprechend hoher Belastbarkeit wählen ;-)

Viel wichtiger aber ist, dass man dann einen SEHR potenten und dabei gut klingenden Verstärker benötigt, denn wenn der Verstärker durch hohe Leistungen im Bassbereich überfordert wird würde darunter auch der Mittel- und Hochtonbereich leiden. Hier mal der Vergleich der gemessenen Frequenzgänge bei einer Anregung von 2.83V:

-> der PEERLESS XXLS10 und der VISATON TIW250XS haben > 50 Hz einen etwa 3 dB höheren Spannungswirkungsgrad

Dabei darf aber nicht vergessen werden, dass der PEERLESS XXLS10 mit seiner Impedanz von 4 Ohm die doppelte Leistung benötigt. Aktiviert man die 3-Wege-Box z.B. mit einem HYPEX FA253 dann kann dieser an 4 Ohm "nur" 1 dB mehr Leistung abgeben (250 Watt) als an 8 Ohm (200 Watt), d.h. der Maximalpegel des XXLS10 wäre 2 dB geringer als der des TIW250XS. Der Vorteil beim HYPEX FA253 wäre aber, dass eine Überforderung im Bassbereich nicht dazu führt, dass auch der Mittel- und Hochtonbereich in Mitleidenschaft gezogen wird :-)

Bei einer 3-Wege-Box kommt es aber nicht nur auf den Tiefgang und den Maximalpegel an, sondern auch auf den Klirrfaktor. Hier mal die Werte bei einem mittleren Schalldruckpegel von 100 dB in 1 m Abstand:

-> der VISATON TIW250XS hat > 200 Hz den höchsten K2 und von 300 bis 600 Hz den höchsten K3
-> der PEERLESS XXLS10 hat zwischen 300 und 600 Hz den geringsten K3

Der gemessene Klirrfaktor ist das eine, ob er hörbar ist oder durch die Grundwelle verdeckt wird das andere. Nach unseren Untersuchungen Klirrfaktor - wie viel ist zu viel?) wären die Klirrkomponenten bei 100 dB in folgenden Bereichen hörbar:

-> alle 4 Chassis verhalten sich beim "unharmonischen" K3 ähnlich

Bei einer Trennfrequenz < 300 Hz und entsprechend steilem Tiefpassfilter wäre beim TIW250XS die Ausführung als Bassreflexbox mit Bassreflexrohr möglich (1. Stehwelle im "optimalen" Gehäuse bei 496 Hz), ansonsten wäre ein Passivstrahler dringend anzuraten.

Der PEERLESS XXLS10 kann schon ab 27 Liter mit dem SCAN-SPEAK 26W/0 eingesetzt werden und geht dann bei einem Fb von 23.4 Hz eine untere Grenzfrequenz F3 von 38 Hz. Hier mal der Vergleich mit der Bassreflexvariante (45 Liter, 25 Hz) und der Variante mit dem beschwerten DAYTON-Passivstrahler (45 Liter, 25 Hz):

Fazit:

Ein großer linearer Hub ist erstrebenswert - aber man muss immer auch den Wirkungsgrad und die ggf. von der Impedanz abhängige zur Verfügung stehende Verstärkerleistung im Blick halten: was nutzt ein linearer Hub von 13 mm, wenn dem Verstärker schon nach 5 mm die Puste ausgeht?

In diesem Quartett spielt sich immer wieder der PEERLESS XXLS10 in den Vordergrund - weil er als einziges Chassis des Quartetts eine Nennimpedanz von 4 Ohm hat: das Chassis ist zwar gut 100 € teurer als die beiden Chassis von REDCATT, aber die kann man beim (Class-D-) Verstärker wieder einsparen . . .

Der Vergleich Bassreflexrohr gegenüber Passivstrahler zeigt, dass man kleine Einbußen beim Tiefgang und beim Maximalpegel machen muss. Dafür spart man sich den konstruktiven Aufwand und das Zusatzvolumen für das Bassreflexrohr . . .