Ulme im Kaminzimmer? - Ein Boxenbaubericht

Ulme im Kaminzimmer? - Ein Boxenbaubericht

Aufgabenstellung war Lautsprecher zur Beschallung einer Loungegruppe in einem Kaminzimmer zu bauen, welche sowohl tonal als auch ästhetisch besser als die bisherigen JBL Control One sind.

Budget: So viel wie für ein gutes Ergebnis nötig ist, aber nicht unbedingt mehr.

Also mal die Herausforderung nicht in die Vollen greifen zu dürfen, aber ein hochwertiges Ergebnis mit gutem Preisleistungsverhältnis abzuliefern. → Interessant!

Zuerst wurden die Rahmenbedingungen festgezurrt:

Box sollte schlank wirken, am Boden stehen und die sitzenden Zuhörer in etwa 4-5 Metern Entfernung mit leicht gehobener Zimmerlautstärke beschallen können. Da der Raum sehr wenig bedämpft ist, wäre ein gewisses Richtverhalten erstrebenswert um weniger Reflexionen von Wänden, Decke und Boden zu bekommen.

Um einerseits die Box schmal halten zu können und um andererseits einen kleinen, günstigen Druckkammertreiber einsetzten zu können (Trennfrequenz) sollte der Midbass ein 8 Zoll Chassis werden.

Wegen der Trennung zum kleinen Druckkammertreiber sollte dieser bis etwa 2 kHz hoch spielen, gleichzeitig aber auch als alleiniger Basstreiber genügend weit herunterreichen.

Diesen Frequenzbereich mit einem Chassis abzudecken stellt normalerweise kein Problem dar, aber typischweise handelt es sich dabei um „HiFi-Chassis“ mit einem Kennschalldruck deutlich unter 90 dB/W/m.

Da die Lautsprecher über einen kleinen nicht einmal zigarrenkistengroßen Class D Verstärker betrieben werden sollen, wäre ein Kennschalldruck von über 90 dB/W/m schon erstrebenswert.

Eine langsam zerbröselnde Schaumstoffsicke kam auch nicht in Frage, es sollte also entweder eine Leinensicke oder eine Gummisicke sein und ein stabiles Alugusschassis wäre auch noch schön.

Dann war ja noch die Budgetvorgabe vorhanden, was die Auswahl der in Frage kommenden Chassis weiter einschränkte.

Alle Vorgaben gleichzeitig erfüllte für mich am ehesten der Celestion CF0820BMB, so dass ich mich an die Bassreflexsimulation mit diesem machte.

Mit einer Resonanzfrequenz von 50,5 Hz wollte ich ihn auch ungefähr in der Gegend tunen und schaute mir in der Simulation nun an, welche Gehäusegröße dann für einen passablen Bassfrequenzgang erforderlich wäre.

Ich landete bei etwa 25 Litern, was ein schlankes, nicht all zu hohes Gehäuse versprach.

Anmerkung:

Ich hatte in der Simulation provisorisch gleich mal einen passiven 12 dB Tiefpass eingefügt, um durch den Widerstand der Serienspule realistischere Simulationsergebnisse zu erhalten.

Das Chassis scheint tauglich für die Anwendung zu sein und so ging es nun daran einen preiswerten aber vernünftigen kleinen Druckkammertreiber als Spielpartner zu finden.

Bei der Suche waren mit folgende Dinge wichtig:

Keine wilden Impedanzspitzen im Bereich der anvisierten Trennfrequenz, um das Passivweichendesign nicht unnötig zu erschweren.

Eine Schwingspule mit mindesten 1,4“ Durchmesser, da mir die 1“ Schwingspulen dann doch etwas zu schmalbrüstig vorkamen.

Da Treiber und Horn ja zusammenspielen müssen, machte ich mich parallel dazu auf die Suche nach einem geeigneten Horn.

Auf Grund der räumlichen Situation wollte ich kein zu breit abstrahlendes Horn, es sollte bis etwas unter die anvisierte Trennfrequenz von etwa 2,2 kHz noch ein konstantes Bündelungsverhalten aufweisen und es sollte nicht zu tief sein, um sich nicht Laufzeitprobleme zwischen Konuschassis und Treiber/Horn-Kombination einzufangen, die sich nicht halbwegs einfach mit der Passivweiche lösen lassen.

Breiter als das 8“ Chassis sollte das Horn nach Möglichkeit auch nicht sein, um die Box entsprechend schlank halten zu können.

(Preislich sollte das Horn natürlich auch noch passen)

Weiter wäre von Vorteil, wenn ich online Messergebnisse der Treiber/Horn Kombination finde, um schon mal vor dem Kauf sehen zu können, ob die beiden vernünftig zusammenspielen und ich auch vor der Bestellung schon mal eine Simulation mit Midbass und Passivweiche machen kann.

Mit Treiber & Horn vom selben Hersteller, dazu auch noch von Vance Dickason bei Voicecoil in seiner Rubrik „Testbench“ gemessen, erfüllte der Celestion CDX-1 1447 mit dem Celestion Horn H1-7050 'NoBell' die geforderten Kriterien und war auch preislich komplett im Rahmen.

Als kleine Kröte zu schlucken waren beim Treiber gemäß den Messungen auf Testbench die etwas zu lang nachklingen Resonanzen im Wasserfalldiagramm im Mittenbereich, aber angesichts des Kaufpreises ging ich das Risiko mal ein, da ich über die Celestion CDX-1 Treiber schon mehrfach Positives gehört hatte. Ob das im Klangbild wirklich störend in Erscheinung tritt, oder auch nicht, wird sich dann ja im Verlauf noch zeigen.

Ich bestellte die Chassis und um die Zeit bis zur Lieferung zu überbrücken, fing ich mit der Simulation der Passivweiche schon mal an.

Anmerkung:

In den folgenden Simulationen lassen wir mal den Frequenzbereich unter etwa 350 Hz außer Betracht, da um diesen korrekt zu simulieren noch einige weitere Einstellungen hätten getroffen werden müssen, die ich aber auf Grund des Abstands zu Trennfrequenz von mehr als 2 Oktaven einfach mal außer gelassen habe, da es mir bei dieser Simulation in VituixCad rein um die Passivweichenentwicklung ging.

Ausgangspunkt für die Simulation und Weichenentwicklung waren natürlich die Frequenz- & Impedanzgänge der verwendeten Chassis.

Hier Frequenz und Impdanzgang des Celestion 8 Zöllers aus dem Datenblatt des Herstellers:

Und hier von der Testbench von Vance Dickason der Impedanzschrieb und der Frequenzgangschrieb des Celestion Einzolltreibers mit Horn „no Bell“:

Da ich im geplanten Einsatzbereich den Einzolltreiber belastungsmäßig nicht unbedingt fordern würde und die Membran des 8 Zöllers schon bei ca. 2,5 kHz mit lustigen Breakups beginnt, habe ich im ersten Ansatz eine Trennung knapp unter 2 kHz ins Auge gefasst.

Dies ließ sich auf den ersten Blick recht einfach durch einen simplen 12 dB Tiefpass erreichen.

Was sich in der Simulation in folgendem Frequenzgangschrieb äußert:

Das sieht doch erst mal gar nicht so übel aus, sollte man meinen.

Um nun den deutlich wirkungsgradstärkeren Druckkammertreiber auf ähnlichen Pegel wie den Bass einzubremsen, wollte ich diesmal keinen klassischen Spannungsteiler vor dem Treiber verwenden, sondern einfach nur einen Längswiderstand einsetzten, wie es auch viele kommerzielle Konstruktionen tun.

Um noch ganz ohne Hochpassfilter die leiseste Stelle im Fequenzgang des Treibers (etwas über 10 kHz) auf das Pegelniveau des 8 Zöllers zu bringen, erschien ein 24 Ohm Widerstand vielversprechend:

Wenn man dann noch einen 12 dB Hochpass dazu bastelt, so dass der Frequenzverlauf einigermaßen gerade wird, sieht die Schaltung und Frequenzgang so aus:

Hier ist es oberhalb 6,5 kHz eher zu leise, bzw. im Präsenzbereich unmittelbar darunter eher zu laut.

Daher habe ich als nächste einen kleinen „Highpass“ Kondensator über dem Serienwiderstand angeordnet mit folgendem Ergebnis:

Das sah prinzipiell schon mal ganz gut aus, abgesehen von einer gut 2 dB tiefen Senke um 1,7 kHz.

Ob das eine Phasengeschichte ist? Wenn die Phasenlage der Signale beider Chassis an der Übergangsfrequenz passend ist, müsste sich beim Verpolen des Treibers ein schmales, tiefes Loch ergeben. Also schnell mal ausprobiert:

Siehe da, das schmale tiefe Loch zeigt sich beim Verpolen wie erwartet.

Also wiege ich mich erst mal in falscher Sicherheit...

Nun waren auch die Chassis und ein bisschen Zubehör geliefert worden.

Um die Simulationsergebnisse in der Praxis zu prüfen und mit der Passivweichenentwicklung weiter zu machen, musste erst ein Gehäuse her.

Da es der eng gesteckte Rahmen des Projekts nicht hergab großartig Mustergehäuse zu bauen, entschied ich mich für runde Bassreflextunnel aus Kunststoff, da man deren Länge bei der Bassreflexabstimmung einfacher ändern konnte, als bei einem in Holz ausgeführten Reflextunnel.

Als Gehäusematerial kam hier ausnahmsweise mal kein Birkenmultiplex zum Einsatz, sondern MDF in 16mm Stärke, da für die Anwendung/Installation das Gewicht keine Rolle spielt, keine mechanischen Belastungen auftreten, es sich leicht schleifen und lackieren lässt und es ganz einfach im Preis auch deutlich günstiger ist.

Auf der Suche nach einem dickeren, stabverleimten Massivholz mit schöner Maserung, aus dem ich die seitlich aufgesetzten Füße schreinern wollte, stieß ich auf eine relativ kompakte Leimholzplatte aus Ulme (Rüster), die keine Unsummen kostete.

Um den Aufwand gering zu halten wurde der Gehäuseentwurf einfach ganz klassisch mit Papier und Bleistift gezeichnet.

Die Front plante ich über die volle Fläche gehend, da man dann die Hauptansicht schöner hinbekommt, als wenn dort die Stirnseiten der Seitenwände, Deckel & Boden sichtbar sind.

(ein Zurückversetzen der Rückwand für eine Frontbespannung/Gitter war nicht angedacht)

Als nächstes ging es ans Zusägen der Platten, ein paar Gehrungsschnitte, Fräsen der Schallwandausschnitte und dem Einfräsen der Schlitze für die Flachdübel (Lamellos).

Vor dem Zusammenleimen wurden noch die Einschlagmuttern eingeschlagen und mit kleinen Schrauben gegen Herausfallen gesichert, da man jetzt noch besser hinkommt.

Dann ging es schon ans Zusammenleimen mit den Flachdübeln (Lamellos) und das Aufbringen des nötigen Pressdrucks mit den Schraubzwingen.

Nach anderthalb Stunden wurden die Schraubzwingen entfernt, die Lautsprecher schon mal grob geschliffen und die Kanten wurden rund gefräst.

Nach einem Feinschliff wurde der Staub mit Druckluft abgeblasen und die erste Lage Warnex Strukturlack mit einer feinen Schaumstoffrolle dünn aufgerollt.

Nach anderthalb Stunden Trocknung erfolgte der Auftrag der zweiten Lage Warnex mit einer grobporigen Schaumstoffrolle, so dass sich der gewünschte Struktureffekt ergab.

Parallel zu diesen Arbeiten wurden die Seitenwangen/Füße aus dem Ulmenleimholz gesägt, die Kanten gebrochen und fein geschliffen. Anschließend wurden diese zwei mal mit pigmentiertem Teak-Öl eingelassen, was in Kombination mit dem Ulmenholz einen nußbaumähnlichen Farbton ergab...

Am nächsten Tag wurde die Dämmwatte in die Boxen getackert, um Klangverfärbungen im Mittenbereich durch Reflexionen des rückwärtig abgestrahlten Schalls, die durch die Pappmembran des 8“ Chassis nach vorne durchwandern, zu vermeiden. (Der Weg von der Membran zur Öffnung des Reflextunnels ist hierbei von Dämmmaterial frei zu halten)

Da sich durch das Einbringen des Dämmmaterials eine virtuelle Vergrößerung des Volumens ergibt (obwohl die Dämmwatte ja „geometrisch“ eher Platz wegnimmt) kann eine genaue Abstimmung der Tunnellänge erst jetzt erfolgen.

Da sich zwischen Simulation der Bassreflexbox mit noch nicht endgültig bekanntem Volumen (vgl. oben) immer Abweichungen ergeben können und auch je nach Form und Lage des Tunnels dies mit verschiedenen Korrekturfaktoren zu berücksichtigen wäre, die man meist nicht genau kennt, bin ich bei der Reflexabstimmung folgendermaßen vorgegangen:

Beginnend mit der geometrisch maximalen Tunnellänge (Gehäusetiefe minus Tunneldurchmesser) und wiederkehrenden Messungen direkt vor dem Tunnel habe ich schrittweise den Tunnel verkürzt.

Hierbei sollte das Messmikro mittig vor dem Tunnel auf Ebene des Gehäuses sein. Also weder in den Tunnel hineinragen noch einen Abstand zur Box haben.

Die Tuningfrequenz hat sich dabei schrittweise von 40 Hz auf etwa 50 Hz erhöht.

Als Tunnellänge resultierten daraus dann schlussendlich knapp über 12 cm.

Zum Vergleich hier die Simulation des 8“ Chassis mit einem Vorwiderstand, der dem Widerstand der Serienspule im Tiefpass entspricht.

Dieser zwangsläufig in der Passivweiche vorhandene Widerstand beeinflusst die Güte des Chassis. Wenn man so abstimmt, dass sich mit dem Widerstand (der unter 10% der Chassisimpedanz sein sollte) ein flacher Frequenzverlauf ergibt, erhält man beim Weglassen des Widerstands eine entsprechende Überhöhung. Bzw. wird umgekehrt ohne den Widerstand der Spule zu berücksichtigen abgestimmt, ergibt sich dann später mit der Spule im Tiefpass eine Absenkung des Pegels nach unten hin.

Hier mit 0,72 Ohm Widerstand in Serie zum Basschassis

Zum Vergleich ohne Berücksichtigung des Widerstandes in Serie zum Basschassis

Nun aber wieder zum zweifellos anspruchsvollsten, aber auch spannendsten Teil der Konstruktion, nämlich der Passivweiche...

Also Box in bestmöglicher Messposition im Raum aufgebaut um mit fliegend verdrahteten Bauteilen (mit Wagoklemmen zum ausprobieren schnell lösbar verbunden) die Weichenentwicklung live mit Messungen verfolgen zu können.

Die erste Messung lieferte folgendes erschreckende Ergebnis:

Ein ordentliches Loch bei etwa 2 kHz!

Was war passiert?

Erst mal den Treiber einzeln anklemmt:

Irgendwo ein Stück unter 2 kHz der -6 dB Punkt sieht schon mal nicht komplett verkehrt aus.

(vom etwas unstetigen Verlauf weiter unten mal abgesehen, aber unterhalb 1 kHz kann aus dieser Horn/Treiber-Kombination auch einfach nichts mehr herauskommen)

Dann den Midbass einzeln angeklemmt:

Der Midbass hat auch ein Stück unter 2 kHz seinen -6 dB Punkt.

Jetzt mal probehalber den Treiber verpolt anklemmen:

Das Loch wird weniger tief und wandert von 2 kHz auf 1,7 kHz...

Warum ist das jetzt in der Messung ganz anders wie in der Simulation?

Die in der Simulation verwendeten Chassisfrequenzgänge werden stimmen, der Finne der VituixCad programmmiert hat weiß auch was er tut, die verwendeten Bauteile habe ich nachgemessen, da es sich um ältere Exemplare aus meiner „Grabbelkiste“ handelt, die Schaltung der fliegend aufgebaute Weiche habe ich mehrfach nachvollzogen........

…..Halt! Ich wusste zum Zeitpunkt der Simulationserstellung nicht wo die akustischen Zentren der beiden Chassis liegen! Das muss es sein!

Dies sollte sich aber nachvollziehen lassen, in dem ich den Versatz der akustischen Zentren in der Z-Achse in der Simulation so lange verändere, bis der selbe Murks herauskommt wie bei der realen Messung!

Schiebe ich den Treiber entlang der Z-Achse kontinuierlich nach hinten, bekomme ich bei etwa 75mm Versatz eine ähnlich grausame Senke um die 2 kHz wie in der realen Messung.

(Das könnte mit dem Abstand der beiden Schwingspulen in der Z-Achse als groben Anhaltspunkt für die akustischen Zentren der Chassis hinkommen)

Jetzt mal schnell zu Gegenprüfung den Treiber in der Simulation umgepolt.

Es zeigt sich genau die in der Livemessung auch vorhandene tiefe, schmalere Senke um die 1,7 kHz...

Kann ich unter Beibehaltung der Weichenschaltung noch näher an mein gewünschtes Ergebnis herankommen in dem ich einfach die Bauteilewerte variiere?

Nach einer Reihe von Versuch und Irrtum komme ich mit folgenden Bauteilen auf dieses Ergebnis:

Das sieht ja einigermaßen passabel aus für die recht einfach gestrickte Weiche.

Ich versuche noch mein bisherig bestes Ergebnis in der Simulation nachzustellen und erhalte dabei folgendes Ergebnis:

Das sieht wieder deutlich schlimmer aus, als die Livemessung, aber ich schiebe das auf evtl. in der Praxis doch von der Simulation abweichenden Z-Versatz und baue die Weiche auf einer händisch mit dem Minifräser gefrästen Platine zusammen.

Dann die schönen Füße aus Ulmenholz dran geschraubt:

Nach einigem Testhören und inzwischen gut ermüdet verfrachte ich die Lautsprecher an ihren Bestimmungsort und es hört sich für die günstige Bestückung auch wirklich recht gut an.

Die ganze Nacht lässt mich aber ein Gedanke nicht los: Die Senke im Frequenzgang bei der Trennfrequenz.......da ist doch noch immer etwas mit der Phase im Argen....

Kann das zweifelsohne bereits zufriedenstellende Ergebnis mein Qualitätsanspruch sein?

→ Nein, da muss ich noch mal dran gehen!

Also zurück an den Rechner und VituixCad wieder angeworfen.

Was gibt es für Möglichkeiten um mit einer vielleicht ein paar Bauteile aufwendigeren Weiche ein wirklich sehr gutes Ergebnis hinzubekommen?

Nach mehreren, teils abenteuerlichen Schaltungsversuchen am Simulationsprogramm stellt sich als vielversprechender Ansatz ein Sperrkreis im Hochtonzweig heraus, um den schon arg hoch ansetzenden 12 dB Hochpassfilter (0,47mH mit nur 1,5 uF, also nach Theorie fast ein Linkwitz bei 5,5 kHz), der möglicherweise für die Phasenverbiegung verantwortlich ist, mit einem höheren Kondensatorwert von 4,7 uF zu versehen (nach Theorie fast ein Butterworth mit knapp 4 kHz) und die dann vorhandene Überhöhung des Treibers mit dem erwähnten Sperrkreis aus C = 6,8 uF, L = 1 mH und R = 40 Ohm glatt zu ziehen und den Serienwiderstand des Treibers durch Widerstandstausch von 30 Ohm auf 33 Ohm zu erhöhen.

Also so:

Nach dem das in der Simulation schon vielversprechend aussah, zerlege ich wieder eine Box, baue die Weiche aus, ändere Bauteilewerte ab, trenne eine Leiterbahn durch, ergänze den Sperrkreis als fliegende Verdrahtung, baue die Box wieder provisorisch zusammen und gehe erneut ans Messen.

So ganz optimal ist es entgegen der Simulation aber noch nicht.

(Leider habe ich im Eifer des Gefechts vergessen hier ein paar Messungen der Zwischenstände festzuhalten)

Erst nachdem ich den gerade auf der Frequenzweichenplatine frisch eingesetzten 18 Ohm Widerstand (aus der Reihenschaltung mit dem 15 Ohm Widerstand) gegen eine 22 Ohm Type ersetzt habe, weiterhin anstatt der beiden Kondensatoren mit zusammen 4,7 uF einen mit 3,9 uF eingesetzt habe und den 6,8 uF Kondensator des fliegend verdrahteten Sperrkreises gegen zwei Kondensatoren mit zusammen 5,5 uF getauscht habe, bin ich mit dem Messergebnis zufrieden.

Um den Spannungsbogen hochzuhalten, hier mit den genannten Anpassungen der Bauteilewerte auf Platine und im Sperrkreis erst mal das Ergebnis in der Simulation:

Die Praxismessung mit der oben gezeigten Weiche ergibt sogar ein noch besseres Ergebnis!

Danach erfolgte schon ziemlich erschöpft noch ein kurzes Testhören mit verschiedenem Musikmaterial, was sehr positiv ausfiel, bevor ich in den Schlaf fiel.

Mit diesem Endergebnis bin ich im Gegensatz zum ersten Wurf nun wirklich sehr zufrieden.

Jetzt brauche ich nur noch die Weiche in ihrer endgültigen Form 2x stabil aufbauen und die Ergänzungsplatinen für den Sperrkreis bauen & montieren und die beiden Boxen wieder zusammenschrauben.

Hier ein Bild der zusätzlichen Platine mit dem Sperrkreis:

Noch ein kurzer Blick in die nun mit den beiden Weichenplatinen bestückten Box.

Der Vollständigkeit halber nach all dem Stress (ich kann wohl die nächsten Wochen keine Weichenbauteile mehr sehen... → noch ein paar Outdoor Messungen!

Hier im Freien auf Achse:

das Selbe noch unter 15 Grad horizontal

und auch noch unter 30 Grad horizontal

Jetzt noch die Box in der Einfahrt in Wandnähe platziert, also so wie sie später drinnen auch stehen wird, um den Bassfrequenzgang realistischer abzubilden.

(nur unter 100 Hz sinnvoll anzusehen, da es auf Grund von Reflexionen des Konuschassis und des Treibers am Boden zu Welligkeiten im übrigen Frequenzbereich kommt. (Mikrofon liegt ein paar Meter entfernt am Boden)

Nun ist auch das von den Indoormessungen bekannte Loch um die 67 Hz (verursacht durch drei sich überlagernde Raummoden) verschwunden und der Boxenbaubericht mit den abschließenden Freifeldmessungen abgerundet.

Hier noch ein Abschlussbild von „Ulme“ in der Abendsonne:

Halt, das war das falsche Bild!

Hier noch einmal das richtige Bild der Box „Ulme“!

Freut mich, wenn's gefällt.

Ist halt diesmal keine klassische PA Box, sondern nur eine "etwas kräftigere" HiFi Box.

(Kalottenhochtöner fasse ich aber nach wie vor nicht an...

@ audiobo

Ja, ich habe die Herstellerangaben genutzt bzw. die Messungen von Vance Dickason, weil ich die im Vituixcad schon digitalisiert hatte, bevor ich die Chassis überhaupt bestellte. Da wollte ich nach dem die Chassis dann eintrudelten nicht wieder von vorne anfangen. Wenn die Chassis mal da sind, kann ich's dann halt nicht erwarten bis es spielt. (ist nach 40 Jahren Lautsprecherbauen immer noch jedesmal wie Weihnachten Geschenke auspacken...

Da das Gehäuse eigentlich nur genauso breit ist wie die Chassis habe ich mir die Simulation des Bafflesteps gespart. (ist technisch nicht korrekt, ich weiß)

Bei den Messungen während der Weichenentwicklung wird der Bafflestep dann eh "berücksichtig" ob man will, oder nicht.

Die Simulation nutze ich bislang eher dazu, mal eine Idee für das Weichendesign zu bekommen und die Machbarkeit zu testen. Die genaue Bauteildimensionierung mache ich dann nach wie vor zu Fuß.

Hast aber sicher recht, ich sollte mich mal noch weiter in die Möglichkeiten des VituixCad einarbeiten.

Mein Fehler gegenüber der Entwicklung z.B. der "old mans horn top" war hier einfach vorher nicht den Versatz der akustischen Zentren durch Impulsmessung bestimmt zu haben, sondern einfach so anzufangen.