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1. Einleitung: Bass

Lautsprecher > Subwoofer

Die Erzeugung von tiefen und sauberen Bässen ist eine der größten Herausforderungen an eine Hifi Anlage - und erst recht an die Akustik. Ob der Tieftöner integraler Bestandteil der Frontlautsprecher oder in einem separaten Subwoofer ist - die Probleme bleiben die gleichen.



Abbildung 1: Subwoofer von REL


Subwoofer - Outsourcen der Tieftöner

Ein menschliches Ohr kann Bässe unter den meisten Bedingungen nicht orten. Es erscheint nahe liegend, die Tiefbasswiedergabe an einen dedizierten Basslautsprecher outzusourcen. Diesen nennt man Subwoofer. Die folgenden Zeilen beschäftigen sich mit diversen Arten der Basserzeugung, richten sich ausdrücklich nicht nur an Besitzer von Subwoofern.

Das menschliche Vermögen, Töne zu hören, wird von den meisten Fachbüchern mit 16-16.000Hz oder mit 20Hz bis 20.000hz angegeben. Das schöne an diesen beiden Angaben: Man kann sie gut auswendig lernen und in Prüfungen abfragen. Das Problem bei den Angaben: gerade die untere Grenze genauso einfach zu merken wie falsch
. Der Mensch kann beliebig tiefe Töne wahrnehmen - wenn sie mit genügend hohen Pegeln abgegeben werden. Ob der menschliche Hörer auf die Idee kommt, bei tiefen Frequenzen das Wort „Hören“ zur Beschreibung der empfundenenWahrnehmung zu benutzen, ist jedoch mehr als fraglich. Unangenehme, teils sogar schmerzhafte Luftdruckschwankungen treffen es bei extremen Tiefbässen schon eher. Das Gegenstück zu „Ultraschall“ (über der Hörgrenze“) ist jetzt der extreme Tiefbass: Infraschall (unter der angeblich existierenden Hörgrenze).

Interessant ist das Auftreten einer "Flimmergrenze". Diese Grenze liegt bei gut 16Hz. Unterhalb von dieser Grenze ist die Rechengeschwindigkeit des Gehirns ausreichend, um das g
ehörte Signal als peridiodische Schwankung des Luftdrucks zu erkennen. Man hört/spürt die Änderung einer Sinusschwingung mit einem pulsierenden auf und ab. Erst oberhalb der Flimmergrenze kommt das klassische Hörempfinden zum Einsatz.

Der von Subwoofern abgedeckte Bassbereich erstreckt sich von etwa 120 Hz (oberer
Kickbass), über etwa 40 Hz (tiefste Seite einer Bassgitarre) über 20 Hz  (Hollywood Blockbuster), in einigen wenigen Filmen finden sich bei Frequenzanalysen sogar bei Frequenzen unter 10 Hz. Der tiefste Tiefbass bei Instrumenten wird von großen Kirchenorgeln erzeugt. Die meist mehreren Meter hohen Bassäulen schaffen Frequenzen um die 8 Hz und dringen damit weit in den Infraschallbereich vor - Kirchenmusik mit diesen Instrumenten kann sich wie die Stimme Gottes anfühlen. Noch tiefere Frequenzen gibt es bei einigen Naturkatastrophen, z.B. Seebeben. Die Produktion sehr tiefer Frequenzen bei nennenswerten Pegeln stellt nicht nur die Raumakustik und den Subwoofer auf eine harte Probe. Selbst Menschen mit einem stabilen Kreislauf können schmerzhaft an ihre Grenzen stoßen.

Kleine Regallautsprecher haben als untere Grenze meist Werte in der Nähe der 80Hz. Um die Instrumente einer Jazzaufnahme reproduzieren zu können, reicht das problemlos aus. Gleiches gilt
für Kickbässe diverser Popaufnahmen. Größere Standlautsprecher mit deutlich mehr Volumen und Membranfläche unterbieten in vielen Fällen die 50Hz. Bei der richtigen Musik wie z.B. extremen Synthesizerbässen stellt dies einen deutlichen Fortschritt dar.

Gute aktive Subwoofer aus der mittleren Preisklasse um 300€ werden unter Laborbedingungen im Schalltoten Raum in den meisten Fällen gerade noch die 30Hz schaffen, Subwoofer die bei 20Hz etwas anderes als ein heiseres Krächzen produzieren, sind dagegen schon deutlich teurer. Wie sich der Subwoofer in einem realen Wohnraum verhält, steht auf einem anderen Blatt geschrieben - kleine Räume können z.B. den Tiefbass von Reflexboxen völlig verschlucken - ein anderer unerwünschter Effekt sind Raummoden.

Wenn ein Lautsprecher an der Reproduktion von tiefen Frequenzen scheitert, sind diese Töne nicht direkt aus der Musik verschwunden. Der Grund hierfür ist recht einfach:

Eine Grundwelle von 80Hz würde z.B. Oberschwingungen von 160Hz und 240Hz erzeugen. Ist der Lautsprecher nicht fähig 80Hz zu reproduzieren, kann das nichtlineare Verhalten des Ohrs in Kombination mit den Korrekturmechanismen des Gehirns aus den beiden Oberwellen auf die Grundwelle rückschließen. Ein Hersteller der diesen Effekt beusst ausnutzt ist zum Beispiel Kenwood welcher unter dem Schlagwort "TruBass" die Grundwellen einfach weglässt. Durch die fehlenden tiefen Frequenzen sinkt die Körperschallbildung welcher die Beziehung zu den Nachbarn erheblich beeinträchtigen kann, gleichzeitig sinken die Anforderungen und die Belastung der Tieftöner. Wer unter Tiefbass eine Ganzkörpermassage versteht, dürfte dem Verfahren jedoch eher ablehnend gegenüberstehen.


Große Wellenlänge - Großer Subwoofer

Es muss bei der Erzeugung von Schall immer die Wellenlänge des Schalls mit den Ausmaßen des Subwoofers verglichen werden. Bei 3kHz hat der Schall etwa 13 Zentimeter Wellenlänge, bei 20Hz sind es dagegen stolze 17 Meter. Das hat unmittelbare Auswirkungen: Ein Hochtöner der in der Lage wäre, Frequenzen bei 3kHz mit schmerzhaft lauten Pegeln wiederzugeben, mag einen maximalen Membranhub von 0,25mm haben - und dieser wird in der Praxis praktisch nie erreicht werden. Damit ein üblicher Basslautsprecher den gleichen Schalldruck bei 20hz abgeben kann, müsste er einen Durchmesser von mehreren Metern haben. Ein Subwoofer mit solchen Abmessungen würde sich nicht in üblichen Wohnräumen unterbringen lassen - Von den Herstellungskosten ganz zu schweigen.

An dieser Stelle setzt der Pragmatismus ein. Wenn man nicht in der Lage ist, Schalldruck zu produzieren, setzt man auf Schallschnelle. Gute Tieftöner machen mehrere Zentimeter Maximalhub, einige etwas teurere Exemplare kommen auch auf Pumpbewegungen
von über 10 Zentimeter. Wenn der Woofer mehr Hub machen soll, als vom Hersteller eingeplant, kann die Schwingspule hinten an der Polplatte anschlagen. Bei den rohen Kräften die hier wirken, kann das zu massiven Beschädigungen führen. Das „Anschlagen“ klingt wie ein Schuss aus einer Kleinkaliberwaffe. Einige Hersteller setzen gezielt Schaumstoffelemente ein, um im Ernstfalll die anschlagende Schwingspule etwas abzudämpfen. Alternativ werden auch Schutzschaltungen eingesetzt.



Abbildung 2: Hochwertiges und hubfreudiges Tiefton-Chassis von JL-Audio


Wenn man die Hand in der Nähe einer solchen bewegungsfreudigen Membrane hält, merkt man einen starken
Luftzug, wenn man sein Gehör in die Nähe hält, ist es aber nicht lauter also sonstwo im Raum. Der Subwoofer wirkt in kruzer Entfernung als Kugelstrahler: das bedeutet bildlich gesprochen "viel Wind um nichts". Der Subwoofer gibt primär Blindleistung ab, die Energie wird im Schallfeld vor dem Lautsprecher (Nahfeld) gespeichert. Am Hörplatz ist man im Fernfeld und es ist merkwürdigerweise windstill. Man hört den Bass dennoch in vergleichbarer Lautstärke. Der Druck und die Schnelle stimmen jetzt einigermaßen überein. Die Erklärung für diesen wundersamen Sachverhalt: Das menschliche Ohr ist ein reiner Druckempfänger. Die quasi unbewegte Luft am Hörplatz stört ebenso wenig wie die stürmischen Luftbewegungen am Tieftöner. Überall empfindet es der Mensch als ähnlich laut.

Schallwellen funktionieren wie folgt: Luft wird komprimiert (Schalldruck). Der Druck führt zu einer Beschleunigung bis der Druck abgebaut ist, die resultierende Luft Geschwindigkeit ist die Schallschnelle. Die bewegte Luft drückt die Nachbarluft zusammen, anschließend kommt es wieder zu einem Druckmaximum.

Im Fernfeld kommt es zu periodischen Schwankungen von Druck und Schnelle welche sich gegenseitig erzeugen und auslöschen. Es macht kaum Sinn zwischen beiden Begriffen zu unterscheiden: wo das eine ist, wird wohl auch das andere sein.

Im Nahfeld ist die Unterscheidung dagegen wichtig: Ein Subwoofer kann in einem großen Raum mit einer Membran die kleiner ist als die Wellenlänge keinen direkten Druck aufbauen. Der Druck entweicht sofort seitlich und führt zu einer großen Schallschnelle, oder bildlich gesprochen zu dem bereits erwähnten Ausdruck "viel Wind um nichts". Damit der Subwoofer dennoch hohe Pegel schafft muss er entweder eine größere Membran erhalten oder den Vorgang mit mehr Hub kompensieren. Der Wirkungsgrad von Tieftönern ist somit generell schlechter als bei Hochtönern.

Der Hochtöner ist bezogen auf die Wellenlänge, besser angepasst. Der Hub ist auch bei Mörderpegeln mit bloßem Auge nicht zu erkennen, einen Luftzug in der Nähe der Membran spürt man ebenfalls nicht, die Schallschnelle ist minimal, es herrschen schon in kurzem Abstand zu der Membran quasi Fernfeldbedingungen
. Dennoch ist er in der Lage, den vom Ohr gewünschten Luftdruck problemlos zu erzeugen.

Tieftöner sollten für hohe Tiefpasspegel groß und hubreudig sein. Aber warum sollte man den Tieftöner in einen Subwoofer outsourcen? Es gibt mehrere Anwendungsgebiete.

Subwoofer outsourcing extrem - Satellitensysteme

Hochfrequenter Schall kann auch mit kleinen Lautsprechern in gehobener Lautstärke erzeugt werden und Bässe können vom Mensch nicht geortet werden.  Es liegt daher nahe winzige Kleinstlautsprecher im Raum zu verteilen und die Basswidergabe auf einen einzigen seperaten Subwoofer zu beschränken.

Der Ansatz für die sogenannten Satellitensysteme, bzw. weniger höflich formuliert: Brüllwürfelanlagen, ist physikalisch begründet. Einige Hersteller versuchen seit Jahren immer kleinere Satelliten zu entwickeln, immerhin soll auch designorientierten Kunden etwas geboten werden.



Abbildung 3: Satellitensystem


Diese Schallerzeugung mit Kleinstlautsprechern ist aus technischer Sicht suboptimal. Der Baffle-Step der schmalen Schallwand liegt im Hochtonbereich - der Lautsprecher strahlt bei den meisten Frequenzen kugelförmig und regt den Raum stark an und provoziert ein Maximum an Kurzzeitreflexionen. Die Anforderungen an freie Aufstellung und Akustik sind hoch. Durch den hohen Bafflestep im Hochtonbereich wandern die Kantendiffraktionen durch die kleinen Gehäuse in den Frequenzbereich, in denen das Gehör am empfindlichsten ist. ein frequenzneutrales Abstrahlverhalten auf und abseits der Achse ist quasi unmöglich zu realisieren.

Ein weiteres Problem liegt im der Grundton-Wiedergabe: Sinnvollerweise werden die Subwoofer nur unter 100Hz eingesetzt, oberhalb dieser Frequenz werden die Bässe für das Ohr lokalisierbarr. Bei Satelliten ist die Wiedergabe von Frequenzen unter 500Hz  problematisch. Entweder die Satelliten werden ausreichend groß dimensioniert um diese Frequenzen reproduzieren zu können - oder der Subwoofer klingt sich erst bei höheren Frequenzen aus. Gerade bei faustgroßen Kleinstlautsprechern muss fast zwangsläufig die zweite Variante gewählt werden. Der Subwoofer drängt durch die Ortbarkeit sich deutlich in die Bühnendarstellung der Anlage. Unerfahrene Hörer empfinden die Präsenz des Subwoofers meist positiv, scheint es sich doch um ein besonders potentes Exemplar zu handeln.

Der Wirkungsgrad der Satelliten ist meist deutlich geringer als bei Standlautsprechern. Schnell benötigt man die zehnfache Leistung im Vergleich zu guten Regalboxen, welche üblicherweise weniger als ein Watt für Zimmerlautstärke benötigen. Die Spulen in den Brüllwürfeln sind daher thermisch deutlich schneller am Ende, Kompressionseffekte bei Dynamikspitzen sind nicht auszuschließen.


Abbildung 4: Frequenzgang eines hochpreisigen Satellitensystems

In der Presse werden recht selten Messungen von Satellitensystemen veröffentlicht. Abbildung 3 zeigt die Messung eines  Surround-Satellitensystems eines bekannten Herstellers, die Preisregion für das System liegt bei über 1000€. Die extreme Resonanz in den Mitten und das Loch zwischen Subwoofer und den Satelliten sind eine mögliche Erklärung dafür, weshalb das betreffende System bei den Händlern in meiner Region immer mit speziellen Test-CDs vorgeführt wurde.

Auf den Namen des Herstellers möchte ich an dieser Stelle verzichten.

Wer über den Kauf von Satellitensystemen nachdenkt, sollte sich an dieser Stelle nicht abschrecken lassen. Einige Hersteller bauen inzwischen recht brauchbare Satellitensysteme mit integrierter Verstärkerelektronik für wenig Geld. Für unter 100 Euro lassen sich Systeme erwerben welche direkt an einem üblichen PC angeschlossen werden können, Surroundsound bieten - und für ein Kinderzimmer völlig ausreichen.

Wer einen Direktvergleich zwischen kleinst-Lautsprechern eines Satellitensystems und richtigen Regallautsprechern macht, wird sich in vielen Fällen eher für die Regallautsprecher entscheiden.

Tiefbasserweiterung vollwertiger Lautsprecher

Selbst Kompaktboxen aus bezahlbaren Preisklassen können inzwischen sehr gute Bässe erzeugen. Warum also einen Subwoofer verwenden?


Der Einsatz von Subwoofern in hochwertigen Stereo oder Surroundanlagen mit vollwertigen Regal- oder Standlautsprechern ist unter Audiophilen aus gutem Grund umstritten. Schlecht in die Anlage integrierte Subwoofer sind leicht zu orten und drängen sich förmlich in das Klangbild. Auch ist es ohne Messgerät fast umöglich einen Subwoofer sauber in eine Stereoanlage zu interieren. Von Laien installierte Subwoofer sind meist 10-20dB zu laut eingestellt, kombiniert mit einer ecknahen Aufstellung verwandelt sich der vormals saubere Bass in ein dröhnendes Wummern.


Gut integrierte Subwoofer sind selten - aber die Integration ist durchaus möglich. AV-Receiver mit Einmessfunktionen und eine intelligente Aufstellung des Subwoofers sind ein erster Schritt, die Verwendung von mehreren Subwoofern bis zu DBA-Systemen (dazu später mehr) kann den Bass qualitativ auf ein ganz neues Level heben.


Ein Grund für Subwoofer ist die Aktiventzerrung. Jeder Lautsprecher wird ab einer gewissen unteren Grenzfrequenz immer leiser. Gehäuse mit großem Volumen und Reflexrohre können die Grenze nach unten treiben, aber die Grenze bleibt bestehen. Die Lösung für das Problem: Das Leiserwerden wird durch Verstärkerleistung kompensiert. Wird das Signal z.B. bei 35hz um 6db leiser, liefert der Verstärker bei dieser Frequenz 6db mehr. Diese Holzhammermethode nennt der Fachmann „aktive Tiefbassentzerrung“. Diese Form der Entzerrung findet man de facto bei allen guten Aktivboxen.

Bei privaten Hifi-Anlagen haben sich leider Passivboxen eingebürgert bei denen eine solche Entzerrung aus mehreren Gründen nicht machbar ist.

  • Entweder man würde die oberen Frequenzen in (wassergekühlten??) Widerständen verbraten, was den akustischen Wirkungsgrad der Lautsprecher zugunsten der Heizwirkung deutlich absenken würde.

  • Eine andere Variante wären Schwingkreise welche bei einer Wunschfrequenz mehr Leistung zuführen, dies würde jedoch eine extreme Belastung für die Verstärkerendstufe und ein extrem schlechtes Impulsverhalten bedeuten.


Bei Aktivlautsprechern ist die Lösung deutlich einfacher. Die Aktivweiche wirkt wie ein (der Endstufe vorgeschalteter) Equalizer mit dem der Frequenzgang angepasst wurde. Die Aktiventzerrung hat nur einen Nachteil: um den Lautsprecher auch in untersten Regionen zu Hochleistungen zu bringen müssen sehr leistungsfähige Endstufen und entsprechend belastbare Chassis mit gut gekühlten Schwingspulen verwendet werden.

Das Prinzip der Aktiv-Tiefbassentzerrung ist in Abbildung 2 verdeutlicht.



Abbildung 5: Konventioneller Lautsprecher (rot) und aktiventzerrte Lautsprecher (blau)


High End Basswidergabe

Viele technisch versierte Audiophile halten eine hochwertige Basswiedergabe ohne Subwoofer für quasi unmöglich. Selbst hochwertige Aktivlautsprecher werden durch Aktivsubwoofer ergänzt. Der Grund liegt nur teilweise in hohen Anforderungen an den Maximalpegel - stattdessen liegt er in der Flexiblität von einigen Subwooferkonzepten.

High End Basswiedergabe basiert nicht darauf, dass irgendein möglichst teurer Subwoofer angeschafft wird und auf gut Glück am AV-Reiceiver angeschlossen wird. Sattdessen wird ausgenutzt, dass Subwoofer nicht zu orten sind, daher also deutlich freier im Raum aufgestellt werden können um raumakustikbedingte Dröhnerscheinungen zu kompensieren. Die Stichworte für High-End Bass sind zum Beispiel: Raumeinmessung, Dipolabstrahlung und DBA.

Mehr dazu an anderer Stelle.


 
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