Subwoofer - sensorgeregelt/geschlossen vs. Bassreflex

O.Mertineit
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Beitrag von O.Mertineit »

Hallo,

ich möchte hier versuchen zu veranschaulichen, was es bedeuten kann, ein Bass-Reflex System mit einer Regelung von Bewegungsgrößen der Treiber-Membran (z.B. der Membrangeschwindigkeit) auszustatten.

Im Bereich deutlich oberhalb seiner Abstimmfrequenz f>fb verhält sich das BR-Gehäuse nicht wesentlich anders als ein geschlossenes Gehäuse. Daher erscheint es naheligend anzunehmen, daß eine Regelung hier ähnliche Effekte zeigen kann, wie bei geschlossenen Gehäusen auch. Speziell bei Subwoofern betrifft das jedoch nur noch "das obere Ende" ihres üblichen Übertragungsbereiches.

Der größte Effekt einer geregelten Membran im Hinblick auf eine verbesserte Klirrdämpfung zeigt sich bei einem geschlossenen Gehäuse im Bereich der "hubintensiven" (hoher Membranhub erforderlich) tiefen Frequenzen am unteren Ende des Übertragungsbreiches, dort wo nichtlineares Verhalten des Treibers immer deutlicher ausgeprägt ist.

Das BR-Gehäuse kann jedoch von vornherein in diesem Bereich den Membranhub unter Verwendung eines vergleichbaren Tiefton-Treibers bei gleichem Schalldruck um z.B. 15dB im Bereich der Abstimmfrequenz fb verringern. Je nach konkreter Auslegung des BR-Gehäuses kann der Zuwachs an Grenzdynamik auch größer oder kleiner sein.

Wird das BR-Gehäuse auch deutlich unterhalb von fb betrieben - was nicht zu empfehlen ist - dann schrumpft der Dynamik-Vorteil gegenüber CB wieder ...

Für den Frequenzbereich um fb bedeutet das, daß der Treiber seine Auslenkungsgrenze in einem BR-Gehäuse erst bei einem z.B. um 15dB erhöhten Schalldruck gegenüber dem geschlossenen Gehäuse erreicht:

Das wäre im Beispiel ca. der 5,6-fache Schalldruck und ca. die 32-fache Schall-Leistung wie beim geschlossenen Gehäuse mit vergleichbarem Verschiebevolumen des Treibers.

Ein ebenfalls um den Faktor 5,6 vergrößertes Verschiebevolumen gegnüber einer geschlossenen Box, muss bei Grenzbelastung des BR-Systems im Bereich der Abstimmfrequenz fb in etwa durch den Port (Reflexkanal) bewegt werden. Hierbei sollte die Luftströmung im Port weitgehend laminar bleiben und keine hörbaren Geräusche (was immer auch in Relation zum erzeugten Schallpegel zu sehen ist) verursachen.

Was passiert bei einem vom Querschnitt her leicht unterdimensionierten Port, wenn der Treiber sich nahe der max. linearen Auslenkung bewegt, und allmählich im Bereich um fb das maximale Verschiebevolumen des Bassreflex-Systems überschritten würde, welches gerade noch ohne heftige Turbulenzen im Port zu bewältigen ist ?

- Die Strömung im Port würde bei Unterdimensionierung im Grenzbereich turbulent werden.

- Dadurch verringerte sich der akustisch/mechanisch wirksame Querschnitt des Ports.

- Das System verhält sich nun tendenziell so, als sei es auf eine tiefere Frequenz f<fb abgestimmt und hätte vor allem eine niedrigere Systemgüte Qb aufgrund erhöhter Reibung im Port.
(Nur zur Anschauung vgl. [*1] unten)

- der im Ersatzschaltblild aus den Komponenten Cmep, Rel und Lceb gebildete Schwingkreis entzieht daher dem Treiber bei fb nun weniger Energie.

- Da die Eingangskraft des Treibers mehr oder weniger gleich bleibt, vergrößert(!) sich der Membranhub.

- Der Schalldruck nimmt um fb trotzdem ab.

- Es ist durch die "Verstimmung" des Gehäuses eine Dynamikkompression für Eingangssignale im Bereich der Abstimmfrequenz zu verzeichnen ebenso ein Anstieg harmonischer Verzerrungen aufgrund von Port-Turbulenzen und höherer Auslenkung des Treibers.

- Der vergrößerte Membranhub würde tendenziell einen Teil des (für die gegebene Eingangsspannung) zu geringen Schalldrucks ausgleichen, allerdings auf Kosten einer höheren mech. Belastung des Treibers.


Was würde eine Regelung z.B. der Membrangeschwindigkeit in diesem Grenzzustand bei einem BR-Gehäuse mit unterdimensionierten Port im Frequenzbereich um fb bewirken ?

- An der Verstimmung des Gehäuses durch turbulente Strömung im Port und verringertem Qb würde sich wenig ändern.

- Die Dynamikkompression wäre aufgrund der Verstimmung des Gehäuses und der niedrigeren - per Regelung auf "korrektem Wert für einen nicht turbulenten Port" gehaltenen Membrangeschwindigkeit - noch größer als beim ungeregelten Fall: Noch geringerer Schalldruck um fb bei gegebener Eingangsspannung ist die Folge.

- Der Abstand zu den Zerstörungsgrenzen des Treibers würde jedoch bei gleicher Eingangsspannung vergrößert.

- Das Anwachsen der Ventilierungsgeräusche würde bei gleicher Eingangsspannung um fb gegenüber dem ungeregelten Fall abgemildert.


________________________
Man kann sich jetzt m.E. streiten, wie groß die Vorteile einer Membranregelung für ein BR-System im Bereich der Abstimmfrequenz wären ...

Wichtig ist in jedem Fall, daß Port und Gehäuse für die wirklich angestrebte Grenzdynamik jeweils passsend ausgelegt sind, um Verzerrungen - auch durch ungewünschte "Verstimmung" des Systems - zu minimieren. Eine Regelung kann grundsätzlich die begrenzenden Faktoren hier nicht außer Kraft setzen. Bei einem gut dimensionierten BR-System sollte sich jedoch eine Regelung der Treibermembran insgesamt durchaus positiv auswirken.

[*1] http://www.google.de/imgres?imgurl=http ... CCUQrQMwAQ


Viele Grüße

Oliver
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O.Mertineit
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O.Mertineit
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Beitrag von O.Mertineit »

Hallo nochmal,

für alle, die "das Optimum" aus einem BR-Design durch (wirklich) strömungsgünstige Gestaltung des Ports bei einer gegebenen Grundabstimmung herausholen wollen, haben es hier Entwickler ganz ernst genommen und z.B. unterschiedlichen Port Profilen "auf den Zahn gefühlt":

http://koti.kapsi.fi/jahonen/Audio/Pape ... tPaper.pdf

Zitat: "The ideal shapes for high velocity inlet and exit air streams are different and the best solution
is one that balances both."

Das ist einer der "Knackpunkte" im Entwurf: Weil die Strömung die Richtung wechselt, muss das Profil für Einlass- und Auslass Funktion gleichermaßen "ausbalanciert" funktionieren.

U.a. ab S. 57 werden Strömungsprofile einander gegenübergstellt und deren Auswirkungen auf die harmonischen Verzerrungen gemessen: Hier konnten je nach "Geschwindigkeitsbereich" durchaus Differenzen um 10dB und mehr beim gemessenen THD auftreten.


Die Mikrofonregelung des Treibers aus

http://worldwide.espacenet.com/publicat ... cale=en_EP

der Universität Kalifornien bringt dagegen selbst im hubintensiven Frequenzbereich einer geschlossenen Box nur knapp 6dB Klirrdämpfung.

Meine zuvor hier gezeigten Messungen an Subwoofer-Mustern, welche eine 13dB bis 17db höhere Klirrdämpfung von BR gegenüber CB ergaben, wurden demgegenüber bereits mit "strömungstechnisch nicht optimierten" fast zylinderförmigen Ports erreicht. Allerdings waren die BR-Varianten auch noch nicht an ihrem mech. Limit ...


Grüße Oliver
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cay-uwe
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Beitrag von cay-uwe »

Oliver,

ich möchte mich an dieser Stelle für Deine ausführlichen Kommentare, Information und Gedankengänge bedanken. Ich komme fast nicht hinterher alles zu lesen, denoch:
Im Bereich deutlich oberhalb seiner Abstimmfrequenz f>fb verhält sich das BR-Gehäuse nicht wesentlich anders als ein geschlossenes Gehäuse. Daher erscheint es naheligend anzunehmen, daß eine Regelung hier ähnliche Effekte zeigen kann, wie bei geschlossenen Gehäusen auch. Speziell bei Subwoofern betrifft das jedoch nur noch "das obere Ende" ihres üblichen Übertragungsbereiches.
Dem stimme ich voll zu und das waren genau mein ersten theoretischen Gedanken zur einer Regelung von BR Systemen. :wink:

Unterhalb von FB wird es interessant und da hoffe ich bald mehr dazu beitragen zu können. Das alles braucht halt seine Zeit ...
Maximizing Performance from Loudspeaker Ports
Alex Salvatti and Doug Button, JBL Professional
Allan Devantier, Infinity systems
Northridge, California
Diese Dokument fand ich bis jetzt das Interessanteste und wie Du selber sagtest, da haben sich die Tester richtig Mühe gegeben :cheers:
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