DBA und akustisch aktive Terminierung: Monopol vs. Dipol
Verfasst: 16.11.2014, 15:45
Liebe Forenten,
ich hatte in einem anderen Thread bereits angedeutet, daß das Konzept einer "akustisch aktiven Terminierung des Raums" - wie sie beim DBA angestrebt wird - nicht nur mit Monopol Subwoofern erreicht werden kann.
Mit meiner Wortschöpfung "akustisch aktive Raumterminierung" (AART), meine ich hier das Schaffen eines "quasi reflexionsfreien" Abschlusses an der Rückwand des Raums als Oberbegriff, ganz gleich, durch welche Subwoofer Konfiguration dieser konkret erreicht werden soll. Die "Schall-Senke" an der Rückwand des Raums wird dabei anders als beim SBA nicht durch einen passiven Absorber bereitgestellt, sondern durch eine "akustisch aktive" Senke. Der Begriff "akustisch aktiv" hat hier übrigens nichts damit zu tun, ob die beteiligten Subwoofer etwa "elektrisch aktiv" betrieben werden (also mit aktiver Weiche und eingebautem Verstärker). Die grundsätzlichen Konfigurationen zur "akustisch aktiven Raumterminierung" wären auch mit LS möglich, welche passive Frequenzweichen und externe Verstärker aufweisen: Allein die praktische Umsetzung wäre schwieriger.
Zum Konzept, welches auch dem DBA zugrunde liegt:
- Der Raum wird akustisch (als idealtypische Umsetzung) auf eine Dimension (vorzugsweise) in Längsrichtung reduziert, so daß Eigenmoden (Raumresonanzen) in Quer- und Hochrichtung nicht mehr angeregt werden können: Es breiten sich dann "näherungsweise ebene Wellenfronten" von der Stirn- zur Rückwand des Raums aus.
- An der Rückwand des Raums werden diese Wellenfronten durch dort positionierte "Gegenbässe" neutralisiert.
- Beim klassischen DBA (Double Bass Array) nach Anselm Görtz u.a. , wird die dazu benötigte "akustische Dimensionsreduktion" durch mehrere Subwoofer an Stirn- und Rückwand des Raums erreicht, welche sowohl Stirn- als auch Rückwand mit einem Gitterabstand von weniger als einer halben Wellenlänge der jeweiligen oberen Grenzfrequenz des DBA abdecken müssen:
Nur bei dieser relativ dichten Anordnung von Subwoofern an Stirn- und Rückwand ist noch eine hinreichend ebene Wellenfront - man kann dies auch als eine "hinreichende Richtwirkung" betrachten - gegeben. Für übliche Installationen in Wohnräumen werden dafür minimal 4 Subwoofer an der Stirnwand des Raums benötigt (z.B. in ca. 1,7m Gitterabstand für 100Hz) und 4 Subwoofer an der Rückwand. Andernfalls ist mit merklicher Minderung der gewünschten Funktion zu rechnen.
Idealtypisch würden Stirn- und Rückwand des Raums insgesamt zu Membranen, welche sich jeweils "als Ganzes" bewegen und der Raum würde zu einer liegenden "gedackten" Orgelpfeife, in der nur noch eine Dimension der Schallausbreitung - nämlich in Längsrichtung - relevant wäre.
- Mit speziellen Dipol-Subwoofern in geeigneter Position und Orientierung kann eine selektive Anregung des Raums in Längsrichtung mit wesentlich weniger Schallquellen auch zu höheren Frequenzen hin aufrecht erhalten werden, als dies mit einer vergleichbaren Zahl monopolarer Schallquellen möglich wäre.
Dies macht den Dipol-Subwoofer zu einer äußerst vorteilhaften Schallquelle (auch) für das verallgemeinerte Konzept der "akustisch aktiven Raumterminierung" (AART) im modalen Bereich des Raums. Dieser Frequenzbereich unterhalb der Schröderfrequenz (meist unter 120Hz) ist in typischen Wohnräumen durch Raumresonanzen (stehende Wellen) gekennzeichnet.
Als Anmerkung:
In vielen Räumen und Abhörsituationen wird bei Dipol-Subwoofern überhaupt kein "Gegenbass" benötigt, um eine Tieftonwiedergabe mit quasi "nicht modenbehaftetem Charakter" herzustellen, denn es gibt Konfigurationen, mit denen Eigenmoden durch Auaswahl von Anregungsort und Hörplatz weitgehend "ausbalanciert" werden können, auf die ich an anderer Stelle schon eingegangen bin. Außerdem gibt es viele Räume, bei denen zumindest die Längsmoden höherer Ordnung nicht sehr ausgeprägt sind - oft z.B. bei L-förmigen Räumen oder auch Räumen mit angeschlossenen Aufgängen o. dergl. - so daß man hier oft speziell für Dipol-Subwoofer Positonen für eine sehr ausgewogene Anregung bezüglich einer Hörzone finden kann.
Wenn es jedoch erforderlich wird, kann auch bei Dipolen mit einem "Gegenbass" vor der Rückwand gearbeitet werden. Dies wäre u.a. in rel. kurzen und "spartanisch" eingerichteten quaderförmigen Räumen, oder allgemein in Räumen, in denen Hörplatz und Subwooferposition nur sehr eingeschränkt wählbar sind, oder wenn ein hoher Anspruch an eine flächenmäßig große und gleichzeitig ausgewogene Hörzone in den tiefen und mittleren Basslagen besteht. Diese Dipol-Konfiguration mit "Gegenbass" wird hier im Forum m.E. von mir erstmals aufgezeigt und ist AFAIK auch im Schrifttum weder bekannt oder ausführlicher behandelt worden. Daher folgen zunächst einige anschauliche Demonstrationen ...
Die Bilder:
Die Bilder zeigen (als 2-D Wellenwannen Simulation) symbolisch einen - hier quadratischen - Raum bei dem die Mode 1,1,0 angeregt wird: Es es "passen" dann sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung jeweils eine halbe Wellenlänge in den Raum. Bei einem Raum von 4m Kantenlänge läge diese Eigenfrequenz bei ca. 60Hz, bei 6m Kantenlänge und quadratischem Grundriss wären es ca. 40 Hz (*1). Das Problem der Anregung von Quermoden bestünde auch in einem Raum mit nicht quadratischem Grundriss, jedoch ist dieses Beispiel sehr instruktiv, zumal ich mich hier auf "Standbilder" beschränken muss, und keinen "Wellenfilm" zeigen kann.
Bild 1 zeigt die Anregung des Raums durch ein "reduziertes" DBA:
Nur eine Monopolquelle mit Abstand vor der Stirnwand und eine weitere Monopolquelle direkt an der Rückwand sind vorhanden. Die Konfiguration ist ähnlich wie diejenigen, die von Harald hier bereits vorgestellt wurden. Phasenunterschied und Pegelverhältnisse von "Quelle" zu "Senke" (Gegenbass) wurden so eingestellt, daß die Konfiguration als "volles DBA" (dann mit 2 Quellen und 2 Senken) keine Reflexion an der Rückwand verursachen würde.
Kommentar: Die Monopol-Quelle steht hinten rechts im Raum (vor Stirnwand), die "Monopol-Senke" vorn rechts (direkt an Rückwand). Der "Gegenbass" an der Rückwand ist andeutungsweise durch eine leichte "dornförmige" Einfärbung zu erkennen. Die Welle "rollt" bildlich von "links nach rechts aus dem Bildschirm heraus" auf einen gedachten Hörer z.B. in der Mitte des Raums zu.
Man sieht, daß in dieser Konfiguration von einer "ebenen Wellenfront" in Richtung Stirn- zu Rückwand nicht mehr die Rede sein kann. Die Gitterkonstante ist hier gegenüber der Wellenlänge zu groß und die "zweite Hälfte des DBA" (fehlt auf linker Seite) würde dringend benötigt, um eine Funktion aufrecht zu erhalten (die einzelne Schallquelle an der Stirnwand ist viel zu "weitmaschig"als Array). Quermoden des Raums werden stark angeregt. Hohe Druckgradienten in Querrichtung des Raums werden in der roten Linie sichtbar, welche die Amplitude jeweils in einem Schnitt durch die Querrichtung des Raums zeigt.
Bild 2 zeigt die Anregung durch zwei Dipol Subwoofer mit jeweils gleichem Abstand vor Stirn- und Rückwand: Der Dipol Subwoofer an der Rückwand (als "Schall-Senke") muß für seine Funktion als Gegenbass ebenfalls einen Abstand zur Wand haben, da er sonst keinen Schall abstrahlen (oder neutralisieren) kann: Dipole sind "Druckgradienten-" oder "Schnellewandler", sie funktionieren unmittelbar vor einer Wand in Abstrahlrichtung nicht. Daher kann hier mit Konfigurationen gearbeitet werden, welche Symmetrie zwischen "vorn und hinten" aufweisen und einen Abstand der Schallquellen zur jeweiligen Wand haben.
Kommentar: Die "Dipol-Quelle" steht hinten rechts im Bild (vor Stirnwand des Raums), die "Dipol-Senke" vorn rechts im Bild (vor Rückwand). Die Welle "rollt" bildlich von "links nach rechts aus dem Bildschirm heraus" auf einen gedachten Hörer z.B. in der Mitte des Raums zu.
Man sieht, daß in dieser Konfiguration (bei gleicher Frequenz und im gleichen Raum !) immer noch eine weitgehend "ebene Wellenfront" in Richtung Stirn- zu Rückwand aufrecht erhalten werden kann, obwohl die Gitterkonstante (welche für ein konventionelles DBA die Grenze wäre ...) hier gegenüber der Wellenlänge bereits viel zu groß ist (die einzelne Schallquelle an der Stirnwand ist eigentlich zu "weitmaschig" als Array).
Quermoden des Raums werden trotzdem nicht merklich angeregt. Die Druckgradienten nehmen hingegen zur linken Raumseite hin (wo nicht angeregt wird) kontinuierlich ab. Dies wird auch an der roten Linie sichtbar, welche die Amplitude in einem Schnitt durch die Querrichtung des Raums anzeigt.
Noch eine Anmerkung zur "Virtualisierung von Schall-Senken" mit Dipol-Subwofern (analog zum "VBA" Ansatz):
Selbstverständlich sind bestimmte Dipol-Subwoofer Konfigurationen - auch aufgrund ihrer möglichen Symmetrie zw. Stirn- und Rückwand - besonders zugänglich für "virtuelle" Gegenbass Ansätze (ähnlich VBA), bei denen die Rolle der "Schall-Senke" durch den (oder die) Subwoofer an der Stirnwand mit übernommen wird, indem geeignete "Gegensignale" eingesetzt werden, welche die Reflexion an der Rückwand erst dann neutralisieren sollen, wenn diese wieder an der Stirnwand ankommt.
Soviel zunächst zum Thema "akustisch aktive Raumterminierung" (AART) und "virtuelle akustisch aktive Raumterminierung " (VAART, als Akronym bitte gesprochen wie "wahrt" nicht wie "fahrt" ...) mittels Dipol-Subwoofer.
Viele Grüße aus Reinheim
Oliver Mertineit
__________________
(*1) Zur Veranschaulichung kann z.B. dieser Modenrechner dienen:
http://www.hunecke.de/de/rechner/raumeigenmoden.html
Wenn man die Höhe des Raums sehr gering wählt, dann erhält man einen "Flachtank" der vom modalen Verhalten in etwa der Wellenwanne ähnelt. Unterhalb ca. 60Hz spielt die Hochrichtung in den meisten Räumen noch keine bedeutende Rolle. Oft kann selbst eine gewisse Anregung der Mode 0,0,1 als Grundmode in Hochrichtung (oft um 60Hz) noch toleriert werden, da sich die Kopfhöhe der Hörer meist weit entfernt von den Druckmaxima befindet. Oberhalb ca. 100Hz spielt die Hoochrichtung aber erheblich mit. Trotzdem ist die 2-D Demonstration hier wesentlich näher am realen Objekt als rein eindimensionale Überlegungen, die hier im Forum u.a. zum DBA schon angestellt wurden.
ich hatte in einem anderen Thread bereits angedeutet, daß das Konzept einer "akustisch aktiven Terminierung des Raums" - wie sie beim DBA angestrebt wird - nicht nur mit Monopol Subwoofern erreicht werden kann.
Mit meiner Wortschöpfung "akustisch aktive Raumterminierung" (AART), meine ich hier das Schaffen eines "quasi reflexionsfreien" Abschlusses an der Rückwand des Raums als Oberbegriff, ganz gleich, durch welche Subwoofer Konfiguration dieser konkret erreicht werden soll. Die "Schall-Senke" an der Rückwand des Raums wird dabei anders als beim SBA nicht durch einen passiven Absorber bereitgestellt, sondern durch eine "akustisch aktive" Senke. Der Begriff "akustisch aktiv" hat hier übrigens nichts damit zu tun, ob die beteiligten Subwoofer etwa "elektrisch aktiv" betrieben werden (also mit aktiver Weiche und eingebautem Verstärker). Die grundsätzlichen Konfigurationen zur "akustisch aktiven Raumterminierung" wären auch mit LS möglich, welche passive Frequenzweichen und externe Verstärker aufweisen: Allein die praktische Umsetzung wäre schwieriger.
Zum Konzept, welches auch dem DBA zugrunde liegt:
- Der Raum wird akustisch (als idealtypische Umsetzung) auf eine Dimension (vorzugsweise) in Längsrichtung reduziert, so daß Eigenmoden (Raumresonanzen) in Quer- und Hochrichtung nicht mehr angeregt werden können: Es breiten sich dann "näherungsweise ebene Wellenfronten" von der Stirn- zur Rückwand des Raums aus.
- An der Rückwand des Raums werden diese Wellenfronten durch dort positionierte "Gegenbässe" neutralisiert.
- Beim klassischen DBA (Double Bass Array) nach Anselm Görtz u.a. , wird die dazu benötigte "akustische Dimensionsreduktion" durch mehrere Subwoofer an Stirn- und Rückwand des Raums erreicht, welche sowohl Stirn- als auch Rückwand mit einem Gitterabstand von weniger als einer halben Wellenlänge der jeweiligen oberen Grenzfrequenz des DBA abdecken müssen:
Nur bei dieser relativ dichten Anordnung von Subwoofern an Stirn- und Rückwand ist noch eine hinreichend ebene Wellenfront - man kann dies auch als eine "hinreichende Richtwirkung" betrachten - gegeben. Für übliche Installationen in Wohnräumen werden dafür minimal 4 Subwoofer an der Stirnwand des Raums benötigt (z.B. in ca. 1,7m Gitterabstand für 100Hz) und 4 Subwoofer an der Rückwand. Andernfalls ist mit merklicher Minderung der gewünschten Funktion zu rechnen.
Idealtypisch würden Stirn- und Rückwand des Raums insgesamt zu Membranen, welche sich jeweils "als Ganzes" bewegen und der Raum würde zu einer liegenden "gedackten" Orgelpfeife, in der nur noch eine Dimension der Schallausbreitung - nämlich in Längsrichtung - relevant wäre.
- Mit speziellen Dipol-Subwoofern in geeigneter Position und Orientierung kann eine selektive Anregung des Raums in Längsrichtung mit wesentlich weniger Schallquellen auch zu höheren Frequenzen hin aufrecht erhalten werden, als dies mit einer vergleichbaren Zahl monopolarer Schallquellen möglich wäre.
Dies macht den Dipol-Subwoofer zu einer äußerst vorteilhaften Schallquelle (auch) für das verallgemeinerte Konzept der "akustisch aktiven Raumterminierung" (AART) im modalen Bereich des Raums. Dieser Frequenzbereich unterhalb der Schröderfrequenz (meist unter 120Hz) ist in typischen Wohnräumen durch Raumresonanzen (stehende Wellen) gekennzeichnet.
Als Anmerkung:
In vielen Räumen und Abhörsituationen wird bei Dipol-Subwoofern überhaupt kein "Gegenbass" benötigt, um eine Tieftonwiedergabe mit quasi "nicht modenbehaftetem Charakter" herzustellen, denn es gibt Konfigurationen, mit denen Eigenmoden durch Auaswahl von Anregungsort und Hörplatz weitgehend "ausbalanciert" werden können, auf die ich an anderer Stelle schon eingegangen bin. Außerdem gibt es viele Räume, bei denen zumindest die Längsmoden höherer Ordnung nicht sehr ausgeprägt sind - oft z.B. bei L-förmigen Räumen oder auch Räumen mit angeschlossenen Aufgängen o. dergl. - so daß man hier oft speziell für Dipol-Subwoofer Positonen für eine sehr ausgewogene Anregung bezüglich einer Hörzone finden kann.
Wenn es jedoch erforderlich wird, kann auch bei Dipolen mit einem "Gegenbass" vor der Rückwand gearbeitet werden. Dies wäre u.a. in rel. kurzen und "spartanisch" eingerichteten quaderförmigen Räumen, oder allgemein in Räumen, in denen Hörplatz und Subwooferposition nur sehr eingeschränkt wählbar sind, oder wenn ein hoher Anspruch an eine flächenmäßig große und gleichzeitig ausgewogene Hörzone in den tiefen und mittleren Basslagen besteht. Diese Dipol-Konfiguration mit "Gegenbass" wird hier im Forum m.E. von mir erstmals aufgezeigt und ist AFAIK auch im Schrifttum weder bekannt oder ausführlicher behandelt worden. Daher folgen zunächst einige anschauliche Demonstrationen ...
Die Bilder:
Die Bilder zeigen (als 2-D Wellenwannen Simulation) symbolisch einen - hier quadratischen - Raum bei dem die Mode 1,1,0 angeregt wird: Es es "passen" dann sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung jeweils eine halbe Wellenlänge in den Raum. Bei einem Raum von 4m Kantenlänge läge diese Eigenfrequenz bei ca. 60Hz, bei 6m Kantenlänge und quadratischem Grundriss wären es ca. 40 Hz (*1). Das Problem der Anregung von Quermoden bestünde auch in einem Raum mit nicht quadratischem Grundriss, jedoch ist dieses Beispiel sehr instruktiv, zumal ich mich hier auf "Standbilder" beschränken muss, und keinen "Wellenfilm" zeigen kann.
Bild 1 zeigt die Anregung des Raums durch ein "reduziertes" DBA:
Nur eine Monopolquelle mit Abstand vor der Stirnwand und eine weitere Monopolquelle direkt an der Rückwand sind vorhanden. Die Konfiguration ist ähnlich wie diejenigen, die von Harald hier bereits vorgestellt wurden. Phasenunterschied und Pegelverhältnisse von "Quelle" zu "Senke" (Gegenbass) wurden so eingestellt, daß die Konfiguration als "volles DBA" (dann mit 2 Quellen und 2 Senken) keine Reflexion an der Rückwand verursachen würde.
Kommentar: Die Monopol-Quelle steht hinten rechts im Raum (vor Stirnwand), die "Monopol-Senke" vorn rechts (direkt an Rückwand). Der "Gegenbass" an der Rückwand ist andeutungsweise durch eine leichte "dornförmige" Einfärbung zu erkennen. Die Welle "rollt" bildlich von "links nach rechts aus dem Bildschirm heraus" auf einen gedachten Hörer z.B. in der Mitte des Raums zu.
Man sieht, daß in dieser Konfiguration von einer "ebenen Wellenfront" in Richtung Stirn- zu Rückwand nicht mehr die Rede sein kann. Die Gitterkonstante ist hier gegenüber der Wellenlänge zu groß und die "zweite Hälfte des DBA" (fehlt auf linker Seite) würde dringend benötigt, um eine Funktion aufrecht zu erhalten (die einzelne Schallquelle an der Stirnwand ist viel zu "weitmaschig"als Array). Quermoden des Raums werden stark angeregt. Hohe Druckgradienten in Querrichtung des Raums werden in der roten Linie sichtbar, welche die Amplitude jeweils in einem Schnitt durch die Querrichtung des Raums zeigt.
Bild 2 zeigt die Anregung durch zwei Dipol Subwoofer mit jeweils gleichem Abstand vor Stirn- und Rückwand: Der Dipol Subwoofer an der Rückwand (als "Schall-Senke") muß für seine Funktion als Gegenbass ebenfalls einen Abstand zur Wand haben, da er sonst keinen Schall abstrahlen (oder neutralisieren) kann: Dipole sind "Druckgradienten-" oder "Schnellewandler", sie funktionieren unmittelbar vor einer Wand in Abstrahlrichtung nicht. Daher kann hier mit Konfigurationen gearbeitet werden, welche Symmetrie zwischen "vorn und hinten" aufweisen und einen Abstand der Schallquellen zur jeweiligen Wand haben.
Kommentar: Die "Dipol-Quelle" steht hinten rechts im Bild (vor Stirnwand des Raums), die "Dipol-Senke" vorn rechts im Bild (vor Rückwand). Die Welle "rollt" bildlich von "links nach rechts aus dem Bildschirm heraus" auf einen gedachten Hörer z.B. in der Mitte des Raums zu.
Man sieht, daß in dieser Konfiguration (bei gleicher Frequenz und im gleichen Raum !) immer noch eine weitgehend "ebene Wellenfront" in Richtung Stirn- zu Rückwand aufrecht erhalten werden kann, obwohl die Gitterkonstante (welche für ein konventionelles DBA die Grenze wäre ...) hier gegenüber der Wellenlänge bereits viel zu groß ist (die einzelne Schallquelle an der Stirnwand ist eigentlich zu "weitmaschig" als Array).
Quermoden des Raums werden trotzdem nicht merklich angeregt. Die Druckgradienten nehmen hingegen zur linken Raumseite hin (wo nicht angeregt wird) kontinuierlich ab. Dies wird auch an der roten Linie sichtbar, welche die Amplitude in einem Schnitt durch die Querrichtung des Raums anzeigt.
Noch eine Anmerkung zur "Virtualisierung von Schall-Senken" mit Dipol-Subwofern (analog zum "VBA" Ansatz):
Selbstverständlich sind bestimmte Dipol-Subwoofer Konfigurationen - auch aufgrund ihrer möglichen Symmetrie zw. Stirn- und Rückwand - besonders zugänglich für "virtuelle" Gegenbass Ansätze (ähnlich VBA), bei denen die Rolle der "Schall-Senke" durch den (oder die) Subwoofer an der Stirnwand mit übernommen wird, indem geeignete "Gegensignale" eingesetzt werden, welche die Reflexion an der Rückwand erst dann neutralisieren sollen, wenn diese wieder an der Stirnwand ankommt.
Soviel zunächst zum Thema "akustisch aktive Raumterminierung" (AART) und "virtuelle akustisch aktive Raumterminierung " (VAART, als Akronym bitte gesprochen wie "wahrt" nicht wie "fahrt" ...) mittels Dipol-Subwoofer.
Viele Grüße aus Reinheim
Oliver Mertineit
__________________
(*1) Zur Veranschaulichung kann z.B. dieser Modenrechner dienen:
http://www.hunecke.de/de/rechner/raumeigenmoden.html
Wenn man die Höhe des Raums sehr gering wählt, dann erhält man einen "Flachtank" der vom modalen Verhalten in etwa der Wellenwanne ähnelt. Unterhalb ca. 60Hz spielt die Hochrichtung in den meisten Räumen noch keine bedeutende Rolle. Oft kann selbst eine gewisse Anregung der Mode 0,0,1 als Grundmode in Hochrichtung (oft um 60Hz) noch toleriert werden, da sich die Kopfhöhe der Hörer meist weit entfernt von den Druckmaxima befindet. Oberhalb ca. 100Hz spielt die Hoochrichtung aber erheblich mit. Trotzdem ist die 2-D Demonstration hier wesentlich näher am realen Objekt als rein eindimensionale Überlegungen, die hier im Forum u.a. zum DBA schon angestellt wurden.