Der Tiefton-Lautsprecher, Grundlagen

Dr.-Ing. Peter Strassacker
Email: peter@lautsprechershop.de

Der Konuslautsprecher besteht aus einem Antriebssystem, das aus einem Magneten und einer Spule besteht. Prinzipbild Tiefton-Lautsprecher

Die magnetischen Feldlinien suchen den Weg des kleinsten magnetischen Widerstands und laufen daher gebündelt durch den Luftspalt (grün) zwischen rechter Polplatte und Polkern (beide grau). Im Luftspalt sitzt die Antriebsspule (rot).

Wird die Spule von Strom durchflossen (senkrecht zum Bild: rote Punkte), dann bildet sich durch das Magnetfeld (grün, vertikal gerichtet) eine Kraft, die senkrecht zum Strom und senkrecht zum Magnetfeld läuft - also horizontal - nach rechts oder nach links. Die Membran (schwarz) wird dadurch nach links oder rechts ausgelenkt (blaue Pfeile)

Soll Schall gleichmäßig und effizient von der Membran an die Umgebung übertragen werden, so sollte die abstrahlende Membran eine gewisse Größe haben (wie eine Hochfrequenz-Antenne): Der Durchmesser der Membran D sollte bei symmetrischer Einspeisung etwa der halben Wellenlänge λ/2 der Schallwelle entsprechen. Die Wellenlänge λ = c / f, wobei c die Schallgeschwindigkeit von 340 m/s ist und f die Frequenz in Hz sei. Zur Abstrahlung von 20 Hz wäre somit ein Lautsprecher mit Durchmesser von 1/2 * λ = 1/2 * (c/f) = 8,5 m wünschenswert.

Für 20 Hz wird demnach eine Membran 8,5 Meter! - für 20 kHz wird eine von 8,5 mm gewünscht. Deshalb werden beim Boxenbau in einer Box mehrere Lautsprecherchassis für unterschiedliche Frequenzen benutzt.

Auffällig ist: sind 8,5 mm Membrandurchmesser machbar, so sind 8 Meter nicht realistisch.

Besonderheiten des Tiefton-Lautsprechers

Zum wirkungsvollen Abstrahlen von tiefen Tönen ist die Membran also zu klein. Das kann man auf mehrere Arten korrigieren:

Die zuletzt genannte Lösung funktioniert am besten: Verkleinert man den Magneten (oder baut einen Vorwiderstand in die Leitung zum Lautsprecher), so reduziert sich die Antriebskraft des Lautsprechers und die Lautstärke sinkt bei gleicher angelegter Spannung vom Verstärker. Für tiefe Töne nahe der Resonanzfrequenz, schwingt der Lautsprecher bevorzugt, weswegen sich seine Lautstärke fast nicht reduziert. Gesamtergebnis: Viel weniger mittlere und hohe Töne, ähnlich viele tiefe - also hat der Lautsprecher mehr Bass. Aber: je schwächer der Antrieb, desto schlechter ist die Kontrolle über den Lautsprecher und desto wumpsiger klingt er.

Falls man den Magneten schwächt, oder einen Vorwiderstand einfügt, muss man in der Regel auch das Boxenvolumen vergrößern, damit die Tiefton-Resonanz nicht zu stark ausgeprägt ist und der Lautsprecher wumpsig klingt.

Zum passenden Antrieb hier Beispiele mit Alcone AC 12.

Abstimmung mit Gehäuse, Widerstand und Kondensator

Subwooferentwicklung mit Theorie: Wie wird ein Subwoofer abgestimmt?
- in geschlossenem Gehäuse
- mit oder ohne Serien-Kondensator
- mit oder ohne Serien-Widerstand
- in der Bassreflexbox
Wo sind die Vor- und die Nachteile?

Als Hobbyist sollten Sie hier abbrechen und auf unseren Tool-Seiten die Dimensionierung von Tieftönern selbst mit Lautsprechern Ihrer Wahl rechnen.

Vertiefende Theorien zum Antrieb

Zur Einstimmung die Formeln zum Subwoofer-Antrieb (nur für den Theoretiker) und plausible Beispiele zur Antriebsstärke.

Das Problem thermische Kompression

Die in der Schwingspule verwendeten Materialien haben einen stark positiven Temperaturkoeffizienten. Dies führt zu thermischer Kompression, die bei erhöhter Betriebstemperatur den Subwoofer deutlich wumpsiger werden lässt.

Die Lösung:
Verwenden Sie einen Lautsprecher mit starkem Antrieb (Qts kleiner als benötigt) und schalten Sie einen Widerstand in Reihe. Falls Sie Bedenken wegen des Dämpfungsfaktors haben - dieser spielt hier keine Rolle ... was wir später erklären werden oder wählen Sie die nächste Lösung.

Allerhöchste Kontrolle durch neue Abstimmtheorie

Zusammenfassung bisheriger Ergebnisse:
- normale Lautsprecher klingen bei hoher Belastung (therm. Kompression) wumpsig.
- Dies kann man durch einen starken Antrieb mit externem Widerstand ausgleichen.
- Dabei wird die Spule nicht mehr heiß, lebt länger und zeigt die Kompressionseffekte weniger.
- Der Widerstand ist notwendig, da sonst zu wenig Tiefbass erzeugt wird.

Für Bassreflexboxen gibt es noch eine andere Möglichkeit zur Abstimmung. Ausgangsbasis sei wieder die Idee: Je stärker der Antrieb, desto besser ist die Kontrolle und desto geringer ist die Gefahr der Schwingspulenerhitzung bzw. die Gefahr dass der Subwoofer wumpsig klingt.

im Bild unten sei die rote Kurve der Frequenzgang eines geschlossenen Subwoofers mit einem Tieftöner mit starkem Antrieb.

Setzt man diesen in eine Bassreflexbox
gleicher Größe, so kann man das Bassreflexrohr
gemäß der steilen blauen Linie abstimmen.
Damit ergibt sich der blaue, flachere
Gesamtfrequenzgang.

Verwendet man stattdessen einfach eine
tiefere Bassreflexabstimmung (steile grüne Kurve)
so erhält man einen gestuften Frequenzgang.

Die tiefe Abstimmung aus obigem Bild hat das
Problem, dass der Schalldruck zu höheren Frequenzen
weiter ansteigt (ab ca. 60 Hz). Sie ist daher nur
für Subwoofer verwendbar, wo der Verstärker, der
hier bei 65 Hz trennt (nicht eingezeichnet), dann zu
einer Gesamt-Trennfrequenz von ca. 80 Hz führt
(Gesamtfrequenzgang: blaue Linie).

Bei diesem Subwoofertyp ist am Verstärker die
Grenzfrequenz also oft etwas tiefer einzustellen,
als man es tatsächlich wünscht.

Wenn man die tiefe Abstimmung genau
berechnen will, so kann man dies mit
handelsüblichen Simulations-Programmen
wie LSP-CAD (Bild links) durchführen.

Im Bild ist der AC 12 SW4 zu sehen, wobei:
- die schwarze Kurve der Gesamt-Frequenzgang
- die blau gestrichelte Kurve der Frequenzgang
  am Tieftöner (er ist wegen der Rückwirkung
  des Bassreflexrohrs von innen nicht eben!)
- die rote Kurve der Frequenzgang am BR-Rohr
- die schwarz gestrichelte Kurve der Phasengang ist.

Vorteile dieser Abstimmung

Die oben beschriebene Abstimmung führt zu
- einer besser kontrollierten Membran (stärkerer Antrieb)
- geringerer thermischer Kompression
  - wegen des starken Antriebs geringere Spulenerwärmung
  - bei Spulenerwärmung verschiebt sich der Arbeitspunkt, so dass
    aus dem tief abgestimmten, ein normal abgestimmter wird.
    Siehe Bild rechts. rot=tief abgestimmt, grün=33%,
    blau=66% Widerstandserhöhung = normal abgestimmt)
    - daraus resultiert immer sauberer Klang
    - fast gleich bleibende Lautstärke
- wegen geringerer Belastung eine längere Lebensdauer der Spule.

Welche Boxen gibt es mit dieser Abstimmung

Nach dieser Methode wurden die Subwoofer Sub 12, Sub 22 und Sub 42 konstruiert (alle nicht mehr lieferbar).

Sonderformen von Subwoofern (URPS, Dipol, RiPol)

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