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Interessante Dokumente und wissenswertes zu Audio



Der unterschied zwischen Equalizer und Frequenzweiche - einfach erklärt

Demnächst auch als .pdf!

Bild: Hier sehen wir die "Einstellungen" eines Subwoofer-Satelliten-Systems.

Die Frequenzweiche:

Sie hat die Aufgabe das Quellsignal, sei es "unverstärkt" von einer Quelle oder aber verstärkt vom Verstärker kommend, in unterschiedliche Frequenzbereiche aufzuteilen. Dies macht man, da jedes Lautsprecherchassis (Breitbänder ausgenommen) nur in einem gewissen Frequenzbereich optimal arbeitet.
In dem Bild sehen wir, dass links bei etwa 150Hz eine Senke ist, bei welcher sich zwei Kurven schneiden. Von links kommend steigt eine Kurve steil auf bis ca. 40Hz, verläuft dann fast gerade und fällt bei ca. 100Hz wider steil ab. Hierbei handelt es sich um einen Subwoofer. Unter ~35Hz wurde alles "abgeschnitten". Das befreit den Subwoofer von unnötiger Arbeit in einem Frequenzbereich der eh nur sehr selten bei Musik vorkommt. Über 150Hz soll der Subwoofer nicht spielen, da er hier nicht mehr "klingt" und zudem feststellbar wäre, wo er im Raum aufgestellt wurde. Das würde das Klangbild stören.
Ab ca. 150Hz fängt die zweite Kurve an. Sie stellt die zu dem Subwoofer gehörenden Satelliten dar. Da dass System ja über einen richtigen Subwoofer verfügt, der leistungsstark genug ist die Bässe alleine, ohne weitere Hilfe wiederzugeben, ist es für die Satelliten nicht nötig/wichtig Bässe zu spielen. Daher wird bei ihnen alles unter 150Hz abgeschnitten. Das hat den Vorteil, dass sie belastbarer werden (die Chassis müssen keine leistungsintensiven Bässe spielen) und sie können wesentlich kleiner und damit günstiger gebaut werden. Will man tiefe Töne wiedergeben benötigt man dazu nämlich große Gehäuse, große Chassis und/oder sehr viel Leistung.

Der Equalizer:

Direkt übersetzt beduetet Equalizer "Angleicher".
Seine Aufgabe ist es, Unregelmäßigkeiten im Frequenzgang der gesamten Wiedergabekette (insbesondere der Lautsprecher) "gerade zu ziehen". Dazu werden bestimmte Frequenzen angehoben oder abgesenkt. Da es aber nicht so einfach (und dazu vollkommen "unnötig") ist, nur eine einzelne Frequenz (z.B. 2kHz) zu verändern, hat so ein "Equalizerband" eine gewisse Breite. Der Fachbegriff dafür ist die Güte. Der 2kHz-Regler an einem Equalizer beeinflusst also auch 1,5kHz und 2,5kHz. Wenn er eine geringere Güte hat sogar noch 1kHz und 3kHz. Ein Equalizer mit höherer Güte hingegen wirkt näher an seiner Hauptfrequenz.
Würde ein Equalizer genau auf seiner Hauptfrequenz arbeiten, dann hätte das keine wirklich bemerkbare Wirkung, da der Mensch nicht in der Lage ist so "schmalbandig" zu hören. Zudem ist Musik bzw. die Töne der Instrumente ja nicht aus lauter "einfachen Frequenzen" zusammengesetzt, sondern besteht aus einer Grundschwingung und zahlreichen Oberwellen, die immer Vielfache von der Grundschwingung sind.
Hat eine Lautsprecherbox nun eine Überhöhung bei 2kHz von rund 3dB, dann kann man mit einem Equalizer diese Überhöhung begradigen, indem man genau die Umkehrfunktion einstellt. Eine Absenkung bei 2kHz. Mit einer Absenkung im Lautsprecherfrequenzgang, von z.B. 3dB bei 7kHz, kann man genau so umgehen. Man stellt eine Erhöhung von 3dB bei 7kHz ein. So sind auch die Equalizer-Einstellungen im Bild gewählt.


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Leistung und Lautstärke, so verhalten sie sich zueinander

Zu aller erst hat ein Lautsprecher keine Watt. Ein Lautsprecher ist ja nur ein passives Teil das erst durch „Hilfe“ von außen (den Verstärker) etwas tut.
Der richtige Ausdruck ist die Belastbarkeit. Sie gibt an welche angelegte Leistung der Lautsprecher unter gewissen Rahmenbedingungen verkraftet. Diese Rahmenbedingungen sind in einer Norm zusammengefasst.
Die einzig wichtige und aussagekräftige Belasbarkeitsangabe ist die RMS-Wattangabe. Sie bezieht sich auf ein gleichförmiges Sinus-Signal mit welchem der Lautsprecher gespeist wird (genormter ein-aus-Rythmus). Ab und zu ist bei Lautsprechern (oder auch Verstärkern) die Rede von Watt-Sinus oder Watt-nominell. Das ist die gleiche Angabe.

Oftmals hat man einfach keine Vorstellung davon, wie laut „laut“ eigentlich ist. Hier sind ein paar Anhaltspunkte für verschiedene Lautstärken:

Unterhaltung: 70dB
Stadtverkehr: 85dB
Rasenmäher: 92dB
Kettensäge: 98dB
Diskothek: 105dB
Rockkonzert: 110dB

Mit jeder Verdopplung der Entfernung zum Lautsprecher (bzw. einer jeden Schallquelle) geht eine Absenkung der Lautstärke von 6dB einher!
So hat man beispielsweise bei einem Rockkonzert im Abstand von einem Meter zur Anlage vielleicht um 126dB Lautstärke, in zwei Metern Entfernung allerdings nur noch 120dB. In 4 Metern noch 114dB und in 8 Metern 108dB.
Mit Hilfe verschiedener Positionierungen der Lautsprecher, zum Beispiel hängend und angewinkelt über dem Publikum, schaffen es die Tontechniker solcher Veranstaltungen dennoch das gesamte Publikum annähernd gleich laut zu beschallen, wodurch der Durchschnittswert von ca. 110dB zustande kommt.

Das wichtigste was man zu der Beziehung von Lautstärke und Belastbarkeit eines Lautsprechers wissen sollte: Lautstärke und Belastbarkeit verhalten sich logarithmisch zu einander. Das bedeutet, dass die aufzubringende Leistung für eine Steigerung der Lautstärke zunehmend immer größer wird. Genau gesagt geschieht das nach folgender Formel: L = 10 * log ( P / 1 ) [dB]
L steht hierbei für die Lautstärkeerhöhung in dB (Dezibel), P für die Leistung die in den Lautsprecher gegeben wird. So eine Formel sagt einigen Lesern unter Umständen nicht viel. Daher drücke ich das mal einfacher aus:
Für eine Lautstärkeerhöhung um 3dB ist eine Verdopplung der Leistung notwendig.
Man kann daher nicht pauschalisieren „100 Watt sind aber laut/viel!“. Da gehört noch mehr dazu:

Sehen wir uns das in Form einer Tabelle und eines Diagramms an:

Lautstärkeerhöhung vs. zugeführte Leistung
0dB - 1W
+3dB - 2W
+6dB - 4W
+9dB - 8W
+10dB - 10W
+12dB - 16W
+15dB - 32W
+18dB - 64W
+20dB - 100W
+21dB - 128W
+24dB - 256W
+27dB - 512W
+30dB - 1000W

Die Lautstärke erhöht sich konstant, die Leistung hingegen wird alle 3dB verdoppelt. Betrachtet man das Diagramm so erkennt man die immer größer werdende Leistungssteigerung noch deutlicher.


Was bedeutet das für mich?

Es bedeutet folgendes: Die Lautstärke die ein Lautsprecher oder eine Lautsprecherbox grundlegend erzeugt ist wesentlich wichtiger für die maximal erreichbare Lautstärke als die Belastbarkeit. Denn wenn eine Box von Grund auf lauter ist als eine Andere, kann sie in aller Regel auch eine höhere Endlautstärke erreichen. (Mehr oder weniger) unabhängig von ihrer Belastbarkeit gegenüber einer anderen Box.
Diese grundlegende Lautstärke wird Wirkungsgrad genannt. Der Wirkungsgrad ist die Lautstärke die ein Lautsprecher bzw. eine Lautsprecherbox in einem Meter Entfernung erzeugt, wenn er/sie mit 1W Leistung gespeist wird.

Ein kleines Beispiel zu Verdeutlichung: Eine HiFi-Standbox, die für gewöhnlich nicht sonderlich laut ist, kommt mit rund 88dB Wirkungsgrad daher und ist mit 110W belastbar bevor sie kaputt gehen könnte (als Beispiel die Canton Ergo 670 DC). Daraus ergibt sich, wenn wir die kleine Tabelle von oben hernehmen, ein Maximalpegel von etwa 108dB.
Ein richtiger Beschallungslautsprecher (wie etwa der RCF ART 312 MK3) der auf hohen Wirkungsgrad gezüchtet wurde hat beispielsweise rund 97dB und ist mit 300W belastbar: Er erreicht maximal 122dB.

Jetzt kommt der Punkt, an dem es interessant wird:
Um die 108dB der HiFi-Box zu erreichen, müsste der Beschallungslautsprecher bloß mit mageren 16W gefüttert werden! Enfach nur, weil er von Grund auf 9dB lauter ist. Sie muss lediglich 11dB gegenüber ihrem "Grundpegel" lauter werden.
Anders herum müsste die HiFi-Box mit weit über 2000W belastbar sein um so laut zu werden wie der Beschallungslautsprecher... Sie muss schließlich irgendwie 34dB gegenüber ihrem "Grundpegel" lauter werden!
Dazu muss glaube ich nicht mehr viel gesagt werden ;)

Kommen wir zur Essenz dieses kleinen Romans:
Die Wattangabe allein sagt (mehr oder weniger) nichts über die erreichbare Lautstärke aus.
Sie ist nur interessant in Verbindung mit dem Wirkungsgrad der Box.
Er allein bestimmt maßgeblich über die maximal erreichbare Lautstärke.


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Einen Subwoofer mit WinISD simulieren

Im Leben eines jeden Mannes kommt der Tag an dem er seinen eigenen Subwoofer bauen will.
Doch wie fängt man an?
Neben den typischen Eckpunkten die abgeklärt werden müssen wie
- dem Budget
- der allgemeinen Größe des Subwoofers
- dem säteren Verwendungszweck
- und der Kombination mit dem Rest der Anlage
muss auch geklärt werden, wie die Abstimmung und Gehäuseberechnung von statten gehen soll.

Man könnte das alles von Hand ausrechnen, doch wozu, wo man doch gerade vor einem höchst leistungsfähigen Computer sitzt? Also ran an den Speck und WinISD (kostenlos) runterladen!

Nach der Installation kann das von mir hochgeladene Chassisdaten-Paket runtergeladen und in den WinISD-Ordner entpackt werden. Dieses Paket bietet die Parameter vieler verschiedener Subwoofer-Chassis zur Auswahl.

Wir suchen uns unter "New Project" ein Subwoofer-Chassis aus, das wir gerne verbauen möchten. Z.B. den The Box 12-280/8-W.

Dann klicken wir auf "Next". Hier kann nun die Anzahl der Chassis sowie eine isobarische Anordnung gewählt werden. Wir bleiben bei der normalen Anordnung.

Nach einem weiteren Klick auf "Next" kommt die Gehäuse-Auswahl. Mit WinISD können verschiedenste Typen von Gehäusen simuliert werden. Den passtensten Typ, hier "Vented", also Bassreflex, hat das Programm schon für uns ausgewählt. Aber warum?

Das hängt mit dem darunter aufgeführten EBP-Wert und dem kleinen blauen Balkendiagramm zusammen.
Der EBP-Wert ist das "Efficiency-Bandwidth-Product". Es beschreibt für welche Gehäuseart ein Chassis tauglich/besonders gut geeignet ist.
Es errechnet sich aus Qes (der elektrischen Güte) und Fs (der Freiluftresonanzfrequenz).
Die Formel lautet EBP = Fs / Qes.

Werte von 100 und mehr stehen für gute Ergebnisse in Bassreflexgehäusen oder doppelt ventilierten Bandpässen.
Werte zwischen 100 und 70 sind noch auf der Kippe zwischen Bassreflex und einem geschlossenen Gehäuse.
Werte deutlich unter 70 sind für geschlossene Gehäuse gut geeignet.

Weiter gehts. Wir bleiben also bei dem Vorschlag "Vented" und klicken auf "Next". Nun können besondere Auslegungen der Abstimmung des Subwoofers gewählt werden. Dieser Punkt interessiert uns nicht wirklich, da wir die Abstimmung eh so wählen, wie sie uns gefällt ;)

Wir klicken also auf "Finish" und bekommen ein kleines Fenster welches mit "[1]Vented : The Box 12-280W" beschriftet ist und dazu ein Diagrammfenster mit einer grauen Linie.
Dann wollen wir mal ;)

Leider ist die aktuelle Ansicht des Fensters "Transfer Function Magnitude" nicht besonders toll. Wir welchseln auf die Ansicht "SPL".
Nun sehen wir links die Lautstärke des Subwoofers in Dezibel und unten die Frequenz.
Auch hier machen wir wieder ein paar Einstellungen. Ein Rechtsklick in das Diagrammfenster öffnet das Kontextmenü, hier wählen wir die Optionen aus.
Im Reiter "Graph" stellen wir nun folgendes ein:
- Frequency Range: 20 und 500Hz
- SPL: 75 und 125dB
- Cone Excursion: 0 und 30mm
- Maximum Power: 0 und 500W
Mit einem klick auf "OK" kommen wir zum Diagrammfenster zurück.

Bei unserem kleinen Fenster "[1]" sehen wir im Reiter "Driver" einige Variablen wie etwa die Temperatur der Schwingspule, ihren Wärmewiderstand und eine der Membran hinzugefügte Masse. Das alles interessiert uns jetzt nicht.
Auch können wir wieder unter "Num. of drivers" einstellen, wieviele Chassis in unserem Subwoofer spielen sollen. Wir bleiben bei einem.

Weiter zum Reiter "Box". Hier wird es interessant.
Unter "Volume" können wir das Nettovolumen der Box einstellen. Also das innere Volumen des Gehäuses. Aber wirklich nur das reine, verfügbare Volumen!
So Sachen wie das Chassis selbst, Verstrebungen, der Bassreflexkanal oder ein Aktivmodul brauchen ja auch Platz! Diese Dinge müssen abgezogen werden.
Haben wir z.B. ein Gehäuse mit den Innenmaßen 40x40x40cm, ergibt sich also ein Volumen von 64L.
Das Chassis braucht ca. 5L.
Ein paar ordentliche Verstrebungen brauchen auch 3L.
Und das BR-Rohr setzen wir mal mit 2L an.
Also bleiben noch gut 54L übrig. Damit können wir rechnen. Wir geben also bei "Volume" 54L ein.

Jetzt hat sich die Kurve verändert. Wer drauf geachtet hat, hat gesehen, dass sie bei etwa 100Hz schon immer tiefer und steiler abgefallen ist, sodass sie bei 50Hz gut 4dB leiser war als bei 100Hz.
Jetzt, mit den 54L, verläuft die Kurve bis unter 50Hz fast eben. Schon mal nicht schlecht, denn:

Wir wollen ja einen guten Subwoofer bauen. Das bedeutet, dass er recht ausgewogen klingen sollte.
Spielt ein Subwoofer kaum Töne unter 70Hz, dann macht er seinen Job nicht richtig. Die Tiefbässe wären verschwunden --> doof.
Genauso doof wäre es aber, wenn wir im Frequenzgang irgendwo eine riesige Spitze hätten. Dann würden Töne die genau diese eine Frequenz treffen viel lauter als andere. --> Auch doof.

Also bemühen wir uns eine möglichst glatte Linie zu bekommen, die so weit herunter reicht, wie es unser Anwendungsfall vor sieht, und die so weit hoch reicht, bis die anderen Lautsprecher der Anlage übernehmen können. Siehe dazu den Teil oben "Equalizer und Frequenzweiche".

Um zu erkennen wie unser Subwoofer tatsächlich spielt, brauchen wir die gerade angesprochene Begrenzung nach oben. Der Subwoofer bekommt ein Tiefpassfilter (engl. "Lowpass-Filter" oder LPF).
Dieses stellen wir im Reiter "EQ/Filter" ein, indem wir auf "Add" klicken, in der Auswahl "Filter type" ein "Lowpass" wählen und dazu folgende Eingaben machen:
- Subtype: Butterworth
- Order: 2
- Q: 0
- Cutoff: 130Hz
Dann klicken wir wieder auf "Add". Jetzt fällt der Frequenzgang des Subwoofers bei 100Hz erst flach ab und wird dann immer steiler. Sehr gut. Den Part darüber übernehmen später unsere anderen Boxen.

Jetzt beginnt das eigentliche Spielen. Wir wollen einen möglichst glatten Frequenzgang. Dies regulieren wir durch das Zusammenspiel aus Volumen der Box und der Abstimmfrequenz. Also zurück zum Reiter "Box".

Das Voumen lassen wir bei 54L. Die Tuning-Frquenz steht bei 38Hz. Das beduetet, dass das Bassreflexgehäuse bei einer Frequenz von 38Hz "mitarbeitet" und das Subwoofer-Chassis unterstützt.
Schrauben wir die Frequenz nach oben, z.B. auf 50Hz, so entsteht ein ordentlicher Buckel bei ~59Hz. Wie vorhin geklärt, wollen wir solche Buckel nicht. Das würde doof klingen.
Probieren wir es mal in die andere Richtung, 25Hz. Jetz fällt die Kurve recht flach ab und geht bis in sehr sehr tiefe Frequenzbereiche. So tief braucht unser Subwoofer aber nicht zu spielen. Wir wollen damit z.B. Charts und Electro hören. Da reicht es aus, wenn der Subwoofer 40Hz erreicht.
Wir stellen also die Tuning-Frequenz so weit hoch, bis sich eine recht gerade laufende Linie ergibt, die bei 50Hz ganz langsam abfällt, und die bei knapp unter 40Hz 3dB leiser ist als bei dem Teil, der gerade verläuft.
Mein Beispiel hat im geraden Bereich einen Pegel von 91dB. Also muss ich gucken, dass ich bei knapp unter 40Hz auf 88dB komme.
Bei mir ergibt sich eine Tuning-Frequenz von 40Hz.
Warum 3dB? Dieser Wert gilt allgemein als Grenze bzw. Grenzfrequenz. Ist ein Subwoofer bei 40Hz 3dB leiser als im geraden Bereich, so ist dies seine Grenzfrequenz. Das bedeutet aber nicht, dass er darunter nicht mehr arbeitet. Er wird nur ab diesem Punkt immer leiser.

Aber wie lang muss nun das Bassreflexrohr sein? Dazu gehen wir in das Reiter "Vents". Unter "Number" können wir die Anzahl einstellen, bei "Shape" kann ein rundes oder eckiges Rohr gewählt werden, "Vent diameter" ist der Innendurchmesser des Rohres und "Vent length" ist schließlch die Länge.
Sie steht momentan bei 20,8cm im meinem Beispiel.
Der Wert "End correction" gibt an, ob ein "gerades Rohr", eines mit einem Trompetenhals oder mit zwei Trompetenhälsen verwendet wird. Wir wählen "Two free ends", weil wir ein normales, gerades Rohr benutzen.
Jetzt ändert sich die Länge des Rohres auf 22cm. Ein gerades Rohr muss also immer länger sein als ein solches mit einem oder zwei trompetenartigen Enden.

Wir können auch anstatt die Abstimmfrequenz zu verändern direkt die Länge des Rohres verändern.
Ein längeres Rohr bedeutet eine tiefere Abstimmung, ein kürzeres eine höhere Abstimmung.

Sehr schön. Das wärs auch eigentlich schon :)
Wir haben jetzt ein Volumen und dazu ein passenden Bassreflexrohr berechnet.


Audio-Dokumente und hilfreiche Dateien

Ein kurzes, 6-seitiges Dokument, das den Zusammenhang von Leistung und Lautstärke verständlich erklärt.


FOLGT NOCH! Erklärung zu Equalizer und Frequenzweiche. Beschreibung, Funktion, Einsatzgebiete. FOLGT NOCH!


Ein roter Faden zum Bau einer eigenen mobilen "Standard-Boombox".


Der schematische Schaltplan zur mobilen "Standard-Boombox".


Excel-Dokument mit hilfreichen Berechnungstools rund um die Audiotechnik


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WinISD: Meine Chassis-Datenbank vom 06.09.2017:

BoxSim: .frd & .zma Dateien zum Importieren


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Bleiakku Preisvergleich

Ich habe mich mal ein wenig in Netz umgesehen und die Preise von Akkus verglichen. Dabei habe ich gesehen, dass sie bei bleiakku.info wohl mit am günstigsten sind.
Hier habe ich mal eine kurze Vergleichstabelle aufgestellt. Die Akkus sind nach Preis sortiert, ganz rechts die Spalte ist aber die interessante. Wie viel Kapazität bekommt man pro investiertem Euro? Ich denke alles ab größer 0,4 ist schon nicht schlecht.
Die Versandkosten betragen bis 20kg leider 5,95 Euro.




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Lesenswerte Literatur

  • Schwamkrug & Römer: Lautsprecher - Dichtung und Wahrheit
  • Friedmann Hausdorf: Handbuch der Lautsprechertechnik
  • Jürg Jecklin: Theorie der Tontechnik
  • Leo Kirchner: Zeitrichtig, was ist das?

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Berechnungs-Tools

Bassreflexgehäuse mit rechteckigem Bodenport:
Wandstärke (cm):
Breite (cm):
Tiefe (cm):
Höhe (cm):
Portlänge (cm):
Porthöhe (cm):
Nettovolumen (Liter):
Geschlossenes Gehäuse:
Wandstärke (cm):
Breite (cm):
Tiefe (cm):
Höhe (cm):
Volumen (Liter):
Volumen eines Zylinders:
Durchmesser (cm):
Höhe (cm):
Volumen (Liter):
Boxenvolumen bei gegebenem Qtc
Qtc:
Qts:
Vas:
Volumen (Liter):
Frequenzweiche - Kondensator (Hochpass)
Trenfrequenz (Hz):
Impedanz (Ohm):
Kondensator (uF):
Frequenzweiche - Spule (Tiefpass)
Trenfrequenz (Hz):
Impedanz (Ohm):
Spule (mH):


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