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3. Akustik

Lautsprecher > Subwoofer


Der Subwoofer im Raum

Bei 3khz hat der Schall in etwa 13 Zentimeter als Wellenlänge, bei 20hz sind es stolze 17 Meter. Dieser Satz war weiter oben im Text bereits ähnlich zu lesen. 120 Hz ist eine Frequenz, die bei einigen Anlagen bereits vom Subwoofer wiedergegeben wird. Die Wellenlänge beträgt hier etwa 2,8 Meter. Die deutlich unterschiedlichen Größen bei den Wellenlängen haben deutliche Konsequenzen für uns in der Praxis.
Es werden bezüglich der Bassreproduktion in Wohnzimmerakustik drei Fälle unterschieden:

  •    Die Wellenlänge des Schalls ist deutlich kleiner als die Dimensionen des Höhraums - Grundton

  •    Die Wellenlänge des Schalls ist etwa so groß wie die Dimensionen des Höhrraums - Bass

  •    Die Wellenlänge des Schalls ist größer als der Höhrraum - Tiefbass


Der Lautsprecher spricht, der Raum antwortet. Ist die Antwort bei hohen Frequenzen für die Musik noch einigermaßen kontrollierbar, ist sie bei tiefen Frequenzen um so störender. Wie stellt man einen Subwoofer auf? Der Werbung zufolge, kann man den Subwoofer einfach hinter den Schrank stellen, wo er optisch nicht weiter stört. Für die Zielgruppe solcher Prospekte mag das akustische Resultat womoglich sogar reichen. Wer auch nur die geringsten Ansprüche hat, sollte aber davon Abstand nehmen.


Ein nerviger aufstellungsbedingter Effekte von Subwoofern sind Raummoden.

Stehende Wellen bzw. Raummoden


Der reale Hörraum wird durch schallharte Wände, Decke und Fußboden begrenzt. Die Begrenzungsfläche sind aus Stein und sind wortwörtlich steinhart. Bei eintreffendem Schall werden die Wände sich im Vergleich zu der deutlich weicheren Luft kaum bewegen. An den Wänden ist die Schallschnelle (bzw. Luftbewegung) daher zwangsläufig Null, dafür ist der Schalldruck direkt an den Wänden am höchsten. Das menschliche Ohr ist ein reiner Druckempfänger, daher neigt der Bass in Wandnähe immer zum dröhnen.

Wird ein Medium an mehreren Stellen fixiert (Wände) und mit einer Frequenz beaufschlagt, dessen Wellenlänge einmal oder mehrfach in die Geometrie passt, treten stehende Wellen auf. Der Effekt ist von Springseilen bekannt: Wird das Seil an den Enden festgehalten (Wand) und mit der richtigen (Resonanz-)Frequenz geschwungen, tritt eine stehende Welle auf.


Abbildung 5: Stehende Wellen sind von Springseilen bekannt


Das Schwingseil kennt nur eine Ausbreitungsrichtung für die Welle - von Anfang bis Ende des Seils. In einem realen Hörraum bieten sich alle drei Raumrichtungen in x,y und z-Richtung für entsprechende Resonanzen an. Diese Resonanzen sind als Raummoden bekannt.

Als Beispiel sei ein normales Wohnzimmer genannt mit einer quadratischen Grundfläche von 5x5 Metern. Die nachfolgende Abbildung zeigt mehrere ausbreitungsfähige Moden bezüglich der Schallschnelle, an den Wänden bei x=0 und x=5 muss die Schallschnelle Null sein. Zur besseren Übersicht sind die Kurven übereinander angeordnet.


Abbildung 6: Einige Ausbreitungsfähige Moden zwischen 5 Meter entfernten parallelen Wänden


Der Schalldruck ist an den Stellen maximal, an denen die Schallschnelle einen Nulldurchgang hat - das gilt zwangsläufig immer in direkter Wandnähe. Bei 70Hz gibt es jedoch z.B. auch in der Raummitte eine Resonanzstelle. Bei 107Hz gibt es sogar schon zwei solcher Stellen im Raum bei ca 1,7m und ca 3,2m Wandabstand.

Bei einer quadratischen Zimmergrundfläche sind die gleichen Moden in zwei Richtungen  gleichzeitig ausbreitungsfähig. An einigen Stellen kommt es durch die doppelten Resonanzen zu doppelt-verstärktem Dröhnen, an einigen Stellen werden die Frequenzen völlig verschluckt. Ist die Grundfläche des Raums nicht quadratisch, z.B. bei einem Raum von 3x5 Meter, sind die Raummoden in x und y Richtung unterschiedlich, desweiteren ist das Dröhnen meist weniger stark ausgeprägt.

Prinzipiell können die sich auch höherfrequente Wellen zu Resonanzen aufschaukeln, Dazu muss nur eine Raumlänge ein ganzzahliges vielfaches der Wellenlänge sein. In der Praxis sind die höheren Frequenzen jedoch unkritisch, immerhin reicht ein kleines Regal oder ein Stuhl schon völlig aus um die Schallwelle diffus zu reflektieren und die potentielle Resonanzfrequenz des Raums zu entschärfen. Bei einer 70Hz Raummode mit 5 Metern Wellenlänge reichen die üblichen Einrichtungsgegenstände leider nicht aus da sie zumeist deutlich kleiner sind als die Wellenlänge.

Die Moden hängen nur vom Raum ab - eine veränderte Aufstellung der Lautsprecher kann die Moden nur stärker oder schwächer anregen. Wie löst man das Problem der Raummoden?

Parallele Wände meiden

In vielen Tonstudios werden die Seitenwände nicht parallel ausgeführt, quadratische Räume werden erst recht gemieden. Wer ein Heimkino von Grund auf neu aufbauen möchte sollte diesen Trick beherzigen. Wer in einer fertigen Wohnung  lebt, wird den Ratschlag jedoch kaum in die Tat umsetzen können.


Raummodenoptimierte Subwooferpositionierung

Wer einen Subwoofer besitzt hat bezüglich der Raummoden einen Vorteil und einen Nachteil.

  • Der Nachteil besteht darin, dass Subwoofer sehr tiefe Frequenzen wiedergeben können und ein guter Subwoofer daher auch die tiefsten Raummoden anregen kann.

  • Der Vorteil besteht darin, dass der Subwoofer frei im Raum positioniert werden kann, ohne dass man auf das Stereodreieck zwischen Hauptlautsprechern und Hörplatz Rücksicht genommen werden muss.


Bass Arrays

Wie wird man Raummoden los? Eine elegante aber teure Lösung ist ein dBa.

An der Frontwand werden mehrere Subwoofer plaziert welche eine ebene Welle produzieren. An der Rückwand werden Absorber verwendet um die Welle zu absorbieren. Der Raum scheint aus akustischer Sicht unendlich lang zu sein - der Druckkammereffekt verschwindet womit Bassreflexsubwoofer auch in kleinen Räumen tiefbassfähig werden, die Erzeugung von ebenen Wellen neutralisiert die Raummoden in zwei Richtungen - und durch die Absorbtion der rücklaufenden Welle werden die Raummoden auch in der letzten verbleibenden Raumrichtung ausgelöscht.

Die Realisierung des sogenannten Double Bass Arrays (DBA) erfodert eine gewisse Kreativität bei den rückwärtigen Absorbern. Um Tiefbässe zu absorbieren müssen die Absorberplatten mehrere Meter dick sein. Die Lösung sind aktive Absorber: Subwoofer die mit der "falschen" Phasenlage arbeiten und den ankommenten Schall mit Antischall auslöschen.


Prinzipiell können die rückwertigen Antischall-Subwoofer mit Mikrophonen und Digitalelektronik ausgerüstet werden, um auf die eintreffenden Schallwellen reagieren zu können. In der Praxix wird jedoch meist ein Verzögerungsglied verwendet welches auf Basis der durchlaufenden Schallwelle die hinteren Subwoofer "abwarten" lässt, bis die Wellenfront hinten eingetroffen ist, anschließend legen die hinteren Subwoofer los und "schlucken" dank der invertierten Phasenlage den eingetroffenen Schall.

DBAs verzichten auf die Raummoden in alle drei Raumrichtungen. Der Bass wird dadurch zwar sehr knackig und sauber, leider liegt der Wirkungsgrad der resultierenden Subwooferanordnung unter dem, was man von einer so großen Menge an Subwoofern eigentlich erwarten würde. Ein Pegelfestes DBA sollte mit entsprechend belastbaren Chassis und leistungsfähigen Endstufen betrieben werden.

Eine abgemilderte Version des DBA ist das Single Bass Aray (SBA). Hierbei wird auf das Antischall-Subwoofermodul verzichtet. Das SBA erzeugt eine ebene Wellenfront und kann daher die Moden in immerhin zwei Raumrichtungen unterdrücken. Der Druckkammereffekt wird jedoch nicht ausgeschaltet und eine Raumrichtung kann weiterhin zu dröhnenden Moden beitragen.


Dipole

An dieser Stelle sollte man wissen: Subwoofer sind Kugelstrahler. Aufgrund der extrem hohen Wellenlänge kann der Subwoofer den Bass nicht gebündelt in eine Richtung abstrahlen - ganz anders als ein Hochtöner, der eine extreme Richtwirkung hat.
Wenn wir es jetzt schaffen würden, den Subwoofer dazu zu überreden, den Schall nur noch in die Richtung des Höhrers zu schicken, hätten wir logischerweise weniger Reflektionsschall im Raum - dafür aber einen recht hohen Anteil an Direktschall am Höhrplatz. Subwoofer die das können, gibt es wirklich.
Diese Subwoofer nennen sich Dipole oder Unipolsubwoofer. Bei einem Dipol-Subwoofer wird der Bass “cardioid” in Form einer 8 nur nach vorne oder hinten abestrahlt. Ein Kugelstrahler erzeugt dagegen Schallabstrahlung in alle Richtungen. Realisiert werden kann ein solches Konzept z.B. indem man den Schall, den ein Tieftöner nach vorne abstrahlt, mit dem Schall überlagert, der nach hinten abgestrahlt wird. Dadurch löscht sich der Schall seitlich des Subwoofers teilweise aus, der Vorteil dieser Bauart ist die geringere Anregung der Raummoden, also der raumeigenen Resonanzen. Eine Sonderform sind Unipolsubwoofer mit unterschiedlichen Treibern. Einen Unipolsubwoofer kann man mit einer Kombination von Dipol und Monpolsubwoofer realisieren. Ein Monopol ist der bereits erwähnte Kugelstrahler.
Das Problem bei solchen Konzepten: Sie brauchen einen deutlichen Wandabstand und haben in der Regel einen extrem schlechten Wirkungsgrad, man braucht gute Endstufen und hochbelastbare Subwoofertreiber, um auf akzeptable Pegel zu kommen.
Und ein weiteres Problem: Dipole sind reine Schnellewandler, das Gegenteil ist der “Druckwandler”. Sie können nur Luft bewegen, aber keinen direkten Druck aufbauen. Im Fernfeld gleicht sich das wieder aus. Wenn die Wellenlänge des Schalls jedoch größer wird als der Raum, funktioniert unsere Vorstellung mit Wellen nicht mehr. Man kann sich den Vorgang jetzt wie in einer Fahrradpumpe vorstellen. Hier muss man pumpen, um Druck aufzubauen. Der Schnellwandler kann das nicht - er arbeitet im akkustischen Kurzschluss.
Fazit: Tiefbass ist mit Dipolen in kleinen Räumen nicht möglich.

Raumeinmessung


Wenn man der Werbung glauben kann, stellt man irgendeinen hundsmiserabelen Subwoofer in die Ecke hinter dem Sofa, lässt die Raumeinmessung laufen - und schon ist alles gut. Man hat sofort sauberen, tiefen, dröhnfreien Bass. Das stimmt so leider nur bedingt. Eine statische verteilung der Dröhnstellen bzw. Basslöcher im Raum hat man nur im eingeschwungenen Zustand, wenn man also über längere Zeit einen einzigen Sinuston laufen lässt. Man könnte versuchen diese Zustände mit einem Equalizer gleich laut einzustellen - zumindest für den Hörplatz. Die digitale Einmessung macht im großen und ganzen nichts anderes.

So etwas wie eingeschwungene Zustände gibt es bei Musik aber nicht. Was passiert, wenn sich auch noch verschiedene Frequenzen überlagern, ist eine ganz andere Sache. Desweiteren kann eine Frequenz auf dem Sitzplatz rechts auf dem Sofa dröhnen, während sie bei der gleichen Frequenz auf dem Sessel links nicht zu hören ist. Was soll der Subwoofer jetzt machen? Soll er den Sound leiser oder lauter machen?
In der Praxis ist das digitale Nachregulieren eher Maniküre. Ein Bassloch kann man unmöglich stopfen, hierzu müsste der Subwoofer die hundertfache Leistung abgeben, was den Subwoofer schnell an seine Grenzen treiben würde - und überall sonst im Raum zu mörderischem Dröhnen führt.
Bei wirklich nervigen Dröhnen ausgerechnet am Sitzplatz, kann man allerdings nachjustieren und die Dröhnspitzen etwas absenken. Um den Bass ein wenig aufzupolieren, ist so etwas eine feine Sache, um eine schlechte Aufstellung zu kompensieren, ist so nicht möglich. Wenn man wirkliche Probleme mit Dröhnen hat, sollte man sich ruhig mal mit der Materie auseinandersetzen, möglicherweise kann ein Händler aushelfen.

 
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