Das Lautsprechergehäuse aus akustischer Sicht

Das Lautsprechergehäuse aus akustischer Sicht

In folgendem Beitrag soll es darum gehen, wie ihr das optimale Gehäuse für eueren mobilen Lautsprecher herausfindet. Denn das Gehäuse ist nicht nur die Schutzhülle von euren Bauteilen sondern auch sehr wichtig für den Klang.
Auf der einen Seite ist natürlich ein kleines Gehäuse praktisch, weil es leichter zu Transportieren ist, auf der anderen Seite sorgt ein großes Volumen oft für mehr Bass. Deshalb gilt es - so wie immer - einen Kompromiss zu finden.
Insbesondere gehe ich auch hier auf den Umgang mit den Simulationsprogrammen WinIsd und Boxsim ein.

Falls ihr den Beitrag über die Chassisauswahl noch nicht gelesen habt, solltet ihr das jetzt tun, sonst werdet ihr vieles nicht verstehen.




Die Gehäusetypen

Doch erst einmal was allgemeines zu Gehäusen.
Das Gehäuse verhindert den sogenannten akustischen Kurzschluss. Wenn die Membran nach vorne geht, entsteht vor der Membran ein Überdruck, hinter der Membran ein Unterdruck. Die würden sich allerdings sofort ausgleichen. Des Resultat ist, dass man fast nichts hört (besonders im Bass).

• Im einfachsten Fall kann man den Akustischen Kurzschluss durch ein Brett verhindern, auf das man das Chassis montiert. Das nennt sich dann Dipol. Ein Dipol hat allerdings sehr viele Eigenheiten und kann beliebig verkompliziert werden. Für mobile Zwecke ist er leider nicht geeignet.
  
• Dann gibt es noch das Geschlossene Gehäuse. Aller Schall der von der Rückseite erzeugt wird, wird geschluckt. Deshalb ist es bei geschlossenen Gehäuse besonders wichtig, dass die Wände nicht mitschwingen. Ein Qts Wert von 0,7 ist hier optimal.
  

Jetzt gibt es noch verschiedene Gehäuse die den rückwärtigen Schall nutzen:

• Das Bassreflexgehäuse ist sehr weit verbreitet, nicht zuletzt wegen der einfachen Simulation. Allerdings ist nicht jedes Chassis dafür geeignet. Mehr dazu aber später. Ein Qts Wert von 0,34 ist optimal.
  
• Transmissionslinegehäuse (TML) und Horngehäuse sind für Anfänger nahezu unmöglich zu entwickeln. Falls man sich für einen Bausatz entscheidet, kann aber eines der beiden Gehäuse durchaus vorkommen. Falls ihr wissen wollt nach welchem Prinzip sie funktionieren, müsst ihr euch aber noch wo anders Informieren. Hier sollen sie nur der Vollständigkeit halber genannt sein.
  
• Dann gibt es noch das Kontrolliert Undichte (KU) Gehäuse. Das ist die Lösung für Chassis mit sehr hohem Qts Wert von über 1 (sehr oft bei Autochassis, besonders welche für Hutablagen und Autotüren). Man macht ein Loch in die Rückwand und stopft es mit Dämmung zu. Es entsteht eine Art Ventil: der Schall kann raus, aber nicht rein. Allerdings kann man KU nicht wirklich berechnen. Ihr werdet um ein Testgehäuse nicht herumkommen.
  

Die eigentliche Planung

Als erstes müsst ihr euch überlegen, wie groß das ganze ungefähr werden soll. Hierbei ist vor allem das Luftvolumen wichtig. Ihr müsst also noch von den Außenmaßen euer Holz, euren Akku und alles andere abziehen.

Dann solltet ihr schon mal eine grobe Auswahl an Chassis heraussuchen.
Jetzt geht es schon ans simulieren. Dieser Schritt wird die Auswahl der Chassis schon deutlich reduzieren. Manche brauchen ein zu großes Volumen, manche liefern nicht genug Bass.
Wenn ihr eure optimale Chassis-Gehäuse Kombination gefunden habt, seit ihr fertig.



Die Simulation mit WinIsd

Ein Beispiel wird uns jetzt ein bisschen durch die Simulation führen. Denn jetzt ist ein neues Problem dazugekommen: Der Umgang mit dem Simulationsprogramm. Als erstes werde ich ein Beispiel mit WinIsd Alpha Version 0.50a7 machen.
Es soll um einen mobilen Lautsprecher gehen, der nicht all zu groß ist. Als Maximum sind die Außenmaße 300mm x 200mm x 400mm gegeben. Gerne darf es auch weniger sein. Als groben Anhaltspunkt für Materialstärke nehmen wir mal 16mm. Alles was sonst noch Luft wegnimmt hat ein Volumen von c.a 2L. Wir haben also ein Luftvolumen von 14,5l zur Verfügung (Weil die Frage so oft kommt: Liter sind Dezimeter³. Also müsst ihr alle Maße als erstes auf 10cm Schritte umrechnen → 2,68dm*1,68dm*3,68dm= 16,5Liter). Es soll ein Stereo Projekt werden, also hat jedes Chassis 7,25L zur Verfügung (auch wenn keine Trennwand dazwischen ist).
Als Chassis haben wir unter anderem den Tangband W4-655 herausgesucht. Da der nicht in der Datenbank von WinIsd enthalten ist, müssen wir ihn eingeben. Man klickt im Hauptfenster auf New Project → New.
In das erscheinende Fenster gibt man folgende Daten ein:



Als nächstes klickt man auf den Reiter Parameters, in dem man die Werte in beliebiger Reihenfolge eingibt, bis ein blaues Feld auftaucht.
Die Thiele Small Paramerter stehen in einem festen Zusammenhang. So kann man z.B aus Qes und Qms, den Qts Wert berechnen. Wenn jetzt errechnet wird, das der Wert 3,19 ist, man aber 3,2 eingibt, weiß WinIsd nicht welchen Wert es nehmen soll. Beim Speichern wird dann ein Fehler auftauchen. Deshalb blaue Felder niemals nie überschreiben. Hier ein Bild vom ersten auftauchenden blauen Feld. Wenn ihr aus dem Feld raus klickt wird der richtige Wert dastehen.



Jetzt gebt ihr nacheinander alle Felder ein. Am Ende sollte das so aussehen:



Werte die ihr nicht kennt, lasst ihr unausgefüllt.
Wir speichern das Chassis unter: C:\Programme (x86)\Linearteam\WinIsd Pro\Drivers (zumindest bei mir in Windows 7, 64bit)
Das Fenster können wir schließen und wieder auf New Project klicken. Jetzt ist der Tangband auch in der Liste enthalten. Anschließend klicken wir auf Next.
Bei Driver Usage wählen wir zwei Chassis aus.
Bei Boxtype müssen wir getrennt durchprobieren was am besten ist. Für Breitbänder kommt nur Vented und Closed in Frage.
Bei Choose Alignment ist es erst mal egal was wir auswählen. Je nach Einstellung berechnet WinIsd ein anderes „optimales“ Gehäuse (z.B optimal für tiefen Bass, oder optimal für Kickbass). Da wir aber sowieso an den Werten rumspielen werden, ist es egal was wir auswählen.
Mit Finish erhalten wir auch schon den ersten Graphen. Im erschienenen Fenster wechseln wir direkt auf den Reiter Box.



Momentan ist der Graph also für ein Volumen von 4,83L bei einer Tuningfrequenz/Abstimmfrequenz von knapp 70Hz. Jetzt ändern wir die Werte mal ein bisschen. Ich bin jetzt in einer schnellen Simulation bei 10L und 68Hz Tuningfrequenz gelandet. Hier das Ergebnis:



Der Graph fällt einigermaßen gleichmäßig und hat einen -3db Punkt bei 70Hz. Das ist für einen 4“ in 5l (Zwei 4“ in 10L) gar nicht schlecht. Die Stufe ist nicht ganz so schön, allerdings ist es nur eine Absenkung um 2db, das ist noch gerade so Ok.

Jetzt taucht die Frage auf, wie ein guter Graph aussieht. Auch dazu hab ich schnell mal ein paar Beispiele gemacht, allerdings mit einem Tangband W3-926S.



Die weißen Kurven sind optimal. Die untere entspricht eher der Lehrbuchabstimmung. Möglichst lange gerade, dann abfallend (es wird von rechts nach links gelesen). Für mobile Zwecke ist aber eine Abstimmung mit etwas mehr Kickbass gar nicht so falsch. Ein Buckel mit bis zu +3db zwischen 50Hz und 100Hz ist da gut. Der sollte allerdings möglichst breit sein. Der Graph sollte erst unter 200Hz anfangen zu steigen, sonst klingt es zu aufdringlich.
Die rosanen Kurven sind aus einer zu hohen bzw. zu niedrigen Abstimmfrequenz entstanden.
Die hellblaue Kurve entsteht bei einem zu großen Volumen. So eine Kurve entsteht auch oft wenn der Qts Wert zu hoch für Bassreflex ist. Dann muss man auf geschlossen umsteigen.
Die orangene entsteht bei einem zu kleinen Volumen. Wenn das Volumen allerdings so Vorgabe ist, hat man keine Wahl. Allerdings lohnt sich dann oft Geschlossen wegen der Einfachheit mehr.

Zurück zu unserem Beispiel mit dem W4-655.
Wenn wir jetzt unser optimales Gehäuse gefunden haben, müssen wir schauen wie das Bassreflexrohr dafür ausgelegt ein muss. Die Abstimmfrequenz ergibt sich nur aus Volumen, Rohrquerschnitt und Länge (dh ist nicht Abhängig vom Chassis). Es kann auch ein Rechteckiger Kanal verwendet werden.
Als erstes sucht man sich einen groben Anhaltspunkt für den Querschnitt. Es wird 10% bis 20% der Membranfläche empfohlen.
Ein Chassis hat eine Effektive Membranfläche von 57cm² (falls wir den Wert nicht kennen, klicken wir nochmal auf New Project und dann auf Show Driver Parameters. Die Membranfläche ist der Wert Sd.
Der Kanal muss also einen Querschnitt zwischen 11,4cm² und 22,8cm² haben. Wir nehmen mal die goldene Mitte 15cm².
Auf ein Rohr umgerechnet sind das 2,2cm= Wurzel(15cm²/Pi) Radius. Also 4,4cm Durchmesser. Da so ein Rohr recht schwer zu finden sein wird, nehmen wir 4,5cm.
Bei Vent length ist jetzt die Länge angegeben, die man braucht um bei dem gegebenen Querschnitt und Volumen die eingegebene Abstimmfrequenz zu erreichen. In unserem Fall 7cm.
Es kann passieren, dass das Rohr zu lang wird, dann muss man der Querschnitt verringern. Allerdings können dann Strömungsgeräusche entstehen. Bei einem 4,5cm Rohr wäre z.B 50cm zu lang.
Wenn man auf den Kreis bei Shape klickt, kann man zu einem Rechteckquerschnitt wechseln.

Wenn wir zwei Rohre wollen, wählen wir bei Number Zwei aus. Ein Rohr braucht dann allerdings nur noch die halbe Querschnittsfläche.

Die Position vom Rohr im Gehäuse ist übrigens nahezu egal. Die Box sollte halt nur nicht auf der Öffnung stehen, aber das ist ja klar.

Bei EQ/Filter können wir noch Frequenzweichen einstellen. Das ist für ein 2.1 System sehr hilfreich. Bei einem Subwoofer müssen immer Trennfrequenzen mit simuliert werden, da die einen sehr großen Einfluss auf den Frequenzgang haben können. Darauf möchte ich hier aber nicht mehr eingehen (genauso wie auf viel viel mehr in WinIsd).

Das wars auch erst mal schon zu WinIsd.



Die Simulation in Boxsim

Boxsim ist ein weitaus leistungsfähigeres Programm als WinIsd. Denn es kann zusätzlich zum Bass auch noch Mittel und Hochton simulieren. Dabei berücksichtigt es den Frequenz- und Impedanzgang vom Chassis und außerdem noch viele Eigenheiten vom Gehäuse. Auch Weichenentwicklung ist damit gar nicht mal so schlecht möglich. Für mobile Zwecke reicht es. Allerdings sind nur Visaton Chassis in der Datenbank enthalten. Fremdchassis kann man nur sinnvoll Importieren wenn Frequenzgang und Impedanzgang bekannt sind.

Jetzt soll es um eine Stereo Box mit den beliebten Visaton BG20 gehen. Verwenden werde ich dazu die Version 1.20.
Unser Gehäuse darf größer werden als im letzten Beispiel. Es muss nicht mehr alleine zu Transportieren sein. Es geht also um die Klasse Festivalbox. Der Bass sollte für Rockmusik reichen. Wir legen also Wert auf einen guten Kickbass.
Über Datei → Neues Projekt öffnen wir ein neues Projekt. Da wir einen Stereo-Verstärker und auch zwei Chassis haben müssen wir zwei Verstärker (-Kanäle) und zwei Chassis auswählen. Mit Ok geht’s weiter. Die Hilfe lesen wir uns aufmerksam durch. Die ist sehr hilfreich!
Jetzt klicken wir auf Chassis&Einbau → gemeinsames Außengehäuse. Im erscheinenden Fenster geben wir die Außenmaße! des Gehäuses ein.
An den Kanten des Gehäuses bricht sich der Schall. Deshalb haben die Kanten einen Einfluss auf den Klang. Das nennt sich Baffle Step und macht sich im Mittel/Hochton bemerkbar.
Ich habe für unser Beispiel h=40cm, b=70cm und t=40cm eingegeben. Diese Werte sollten nur ungefähr stimmen. Bei unserer Größe machen +-10cm nichts aus. Die Position der Chassis ist bei 20cm ; 20cm und 20cm ; 50cm.



Das Fenster schließen wir.
Als Nächstes klicken wir auf Chassis&Einbau → Chassis 1. Da laden wir den BG20. Anschließend klicken wir auf den Reiter Gehäuse und Impedanz. Da wählen wir Bassreflex aus und geben 50L und 60Hz ein. Wenn ihr das macht, müsst ihr als erstes ausgedachte Werte eingeben, welche sind erstmal egal.
Das Ganze wiederholen wir mit den zweiten Chassis.
Es erscheint nun ein Raster ohne Graph drin.



Wenn unten noch eine rote Leiste ist, klicken wir drauf und schauen wo wir den Fehler gemacht haben. Wenn kein Fehler mehr auftritt, können wir das Chassis noch verdrahten. Das geht über Verstärker1 → Weiche editieren.
Mit Rechtsklick kann man Bauteile auswählen, mit Linksklick setzt man Leitungen. Am Ende muss das so aussehen.



Das gleiche wiederholen wir mit Verstärker 2. Hier müssen wir allerdings das zweite Chassis auswählen, sonst gibt es einen Fehler.
Jetzt bekommen wir mehrere Graphen angezeigt. Wir machen die Haken vor Impedanzgang zeigen und Energiefrequenzgang zeigen weg.



Aus dem Frequenzgang können wir nun ablesen, dass der Mittelton von 1000Hz bis 9000Hz zu laut ist. Den können wir mit einem Sperrkreis etwas absenken. Das ist keineswegs notwendig sondern schon Feintuning bei mobilen Boxen. Nur die wenigsten verwenden Sperrkreise. Wenn man aber Wert auf guten Klang legt, sollte man das schon machen.
Damit wir nicht blind Werte des Sperrkreises raten müssen, googeln wir nach einem Bausatz mit dem BG20 und ähnlicher Gehäusebreite (die bei uns die Höhe ist)
Die Werte habe ich mal von der Seite Geist4711.de genommen. Wir editieren erst mal Weiche1, dass sie so aussieht:



Jetzt kann man schön die Unterschiede im Frequenzgang sehen. Der Mittelton hat sich dem Lautstärkelevel vom Rest angepasst.



Wenn wir unser optimales Gehäuse gefunden haben, lassen wir noch das Rohr/ den Kanal berechnen. Das geht über Extras → Auslegung Bassreflexkanal.
Anschließend geben wir alle wichtigen Werte ein (wie man den Querschnitt bestimmt hab ich ja schon bei WinIsd erklärt). Die Länge verändern wir als letztes. Wir wollen sie so wählen, dass wir auf eine Abstimmfrequenz fb=60Hz kommen.
Das Tool ist unabhängig von der Simulation. Hier sieht man, dass die Chassis keinen Einfluss auf den Bassreflexkanal haben.

Jetzt hab ihr die „Basics“ gelernt. Jetzt könnt ihr rumspielen und z.b schauen was für Einflüsse die Gehäusebreite, oder der Kondensator im Sperrkreis haben.



Schlusswort

Das wars soweit zum Gehäuse. Sowohl WinIsd, als auch Boxsim bieten noch viel mehr Möglichkeiten sich auszutoben, darauf will ich aber nicht mehr eingehen. Das wird sonst zu ausschweifend. Vieles ist für den mobilen Lautsprecherbau egal, auf vieles hat man keinen Einfluss.

Dieser Thread ist übrigens nur Teil von mehr Threads. Eine Übersicht findet ihr hier: Ein Link wird eingefügt wenn die Übersicht existiert
Wenn einige Links mit der Zeit nicht mehr funktionieren, schreibt mir doch einfach eine Nachricht, dann kann ich das editieren.


Über Anregungen und Kritik freue ich mich sehr, ich sehe den Text als keineswegs perfekt an.