Exponentialhorn H900/75 L220 mit Dayton Audio Breitbänder PS180-8
Seit einige Zeit schon trage ich ich mit dem Gedanken ein back-loaded-horn zu bauen, dessen Hornkanal sich in zwei normal zueinander stehenden Ebenen entwickelt. Im Gegensatz zu den letzten von mir entwickelten Hornlautsprechern Markaudio Pluvia 11 (E840/95 L135), Visaton B100 (E600/28 L190) und Sonido SFR175A (H1000/65 L210) soll die Mundöffnung des neuen Entwurfs jedoch nach vorne orientiert sein. Das Gehäuse ist also als mittelgroßer Standlautsprecher mit Hornabstrahlung im Bodenbereich nach vorne konzipiert. Wie üblich lag der Fokus des Entwurfs auf hoher Musikalität, wohnraumtauglicher Größe, minimalem Materialverbrauch und einem attraktiven Erscheinungsbild. Im Sinne einer "hohen Musikalität" habe ich als Treiber den 6½“ Breitbänder PS180-8 von Dayton Audio ausgewählt, der sich aufgrund seiner Daten für eine Hornkonstruktion gut eignet. Um noch von "wohnraumtauglich" sprechen zu können, habe ich die äußeren Abmessungen des Gehäuses mit Höhe/Breite/Tiefe = 117/40/28 cm gewählt. Die beiden spiegelbildlich hergestellten Gehäuse sind unten breiter als oben und weisen somit eine eher birnenförmige Konturen auf. Dies ist primär dem "minimalen Materialverbrauch" geschuldet und sorgt zudem für ein "attraktiveres Erscheinungsbild" als bloße Quader. Bei der Gehäusekonstruktion handelt es sich grundsätzlich um ein Exponentialhorn. Um den Hornverlauf im oberen Gehäusebereich auf möglichst schmalem Raum besser falten und entwickeln zu können, habe ich mich für eine hyperbolische Hornkontur entschieden. Der Verlauf eines hyperbolischen Horns öffnet sich anfangs deutlich langsamer als ein klassisches exponentielles Horn.
Vergleich exponentieller - hyperbolischer Hornverlauf
Der erste 1,95 m lange Teil des Hornkanals verläuft ab der Druckkammer in einer vertikalen Ebene parallel zur Lautsprechermembrane und schwenkt nach vier Umlenkungen 90°- 90°- 180°- 180° bodennah in eine um 90° verdrehte Schallebene ein, die in der Schallachse des Lautsprechers liegt und direkt auf den Hörer zeigt. Das letzte Teilstück überführt die bis dorthin von oben nach unten verlaufende Schallführung in einem kurzen 90° Bogen in eine bodenparallele Schallabstrahlung. Der Hornkanal ist insgesamt 2,20 m lang. Der Breitbandlautsprecher ist mittig im obersten Teil des Gehäuses in einer Druckkammer positioniert und direkt auf den Hörer ausgerichtet. Um stehende Wellen und direkte Reflexionen in der Druckkammer so weit als möglich zu vermeiden, habe ich hinter dem Lautsprecher eine schräge Diagonale in die Druckkammer eingebaut, in der auch die Polklemmen montiert sind. Der Zugang zu den Polklemmen ist durch ein 90 mm großes Eingriffsloch an der Gehäuserückwand gegeben. Um Resonanzerscheinungen und stehende Wellen im allerersten Teil des Hornkanals zu unterbinden, ist die Eintrittskante an der Halsöffnung schräg ausgeführt. Nach der schräg verlaufenden Eintrittskante entwickelt sich der Schallkanal in mehreren Umlenkungen von der 75 cm² großen Halsfläche bis zur bodennahen 900 cm² großen Mundöffnung auf einer Gesamtlänge von 2,20 m. Die Druckkammer mit dem Breitbänder ist etwa 1 m über dem Fußboden positioniert, die Treiberachse ist horizontal. Dies ermöglicht sowohl in einer aufrechten Sitzposition, als auch in stehender Position noch einen guten Höreindruck.
Die Gehäuse sind durchwegs aus 16 mm MDF aufgebaut. Um die beiden 180° Umlenkung dem Hornverlauf besser anzupassen und um hier Reflexionen zu vermindern, wurden die Ecken durch Weichfaserbrettchen polygonal entschärft bzw. "ausgerundet". Zur Versteifung werden die beiden inneren Leitwände mit 16 und 12 mm starken MDF Streifen miteinader verbunden und auch gegen die Front- und Rückwand abgestützt. Diese Steifen erhöhen die Gesamtstabilität und unterbinden unerwünschte Platten-Schwingungen; die Position der Steifen wurde so gewählt, dass dadurch die hyperbolische Hornkontur nicht gestört, sondern lokal verbessert bzw. korrigiert wird. Aus optischen Gründen wird die Mundöffnung am Ende des Hornkanals mit einem trapezförmigem Bespannrahmen aus schalldurchlässigem Stoff verdeckt.
Die Gehäuse wurden mit Adler Vivido Samt Alkyd Lack in dem sehr dunklen Farbton „Rondo“ C12 143/2 lackiert (1x Haftgrund, 1x Grundierung, 1x Deckanstrich). Der Farbton „Rondo“ ist in der selben Farbgruppe angesiedelt wie der kupferrote Phase Plug des Dayton Audio Breitbänders, wodurch ein harmonischer Gesamteindruck entsteht.
Der Frequenzverlauf des 18 cm Breitbänders PS180 von Dayton Audio liegt im Hochtonbereich um etwa 5 db über dem Grundtonbereich von 100 Hz bis 1 kHz und fällt unterhalb von 100 Hz mit 7dB/Okt. mäßig steil ab. Durch einen EBP-Wert (efficiency bandwidth product) von über 160 eignet er sich gut für den Einsatz in ein Horngehäuse.
Frequenzgang aus Datenblatt Dayton Audio PS180-8
Auf Basis eines Vergleichs mit bekannten und erprobten Bauvorschlägen habe ich die Mundfläche willkürlich mit 900 cm² und die Hornkanallänge mit 2,20 m festgelegt; für einen hohen Wirkungsgrad wurde die Halsfläche AH mit 75 cm² gewählt, d.h. AH/Sd ≈ 57%.
Hauptdaten
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Treiber Dayton Audio PS180-8 |
Horn H900/75 L220 |
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SPL |
94,8 dB/W(1m) |
H/B/T |
117/40/28 |
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Fs |
58,5 Hz |
AM |
900 cm² |
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Sd |
132,7 cm² |
AH |
75 cm² |
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Qes |
0,36 |
AM/AH |
12 |
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Qms |
3,64 |
AH/Sd |
0,57 |
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Qts |
0,33 |
ε |
1,117 |
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EBP |
163 |
L |
2,20 m |
Gehäuseaufbau
MDF-Zuschnitt lose aufgelegt
Druckkammer (links) mit schräger Eintrittskante
Verleimen innere Leitwände mit Seitenwand
Verleimung MDF-Platten
Rohgehäuse
Druckkammer noch ohne Diagonale
Rohgehäuse mit polygonalen "Eckausrundungen"
Druckkammer mit Diagonale
Rohgehäuse mit zwei von drei inneren Steifen
Rohgehäuse mit Schallwand (Front)
Anpassen Bespannrahmen an Mundöffnung
Erste akustische Messungen
Da die Neugier ja bekanntlich ein Luder ist, habe ich erste akustische Orientierungs-Messungen durchgeführt, sobald das erste Gehäuse fertig gestellt war (Rohgehäuse A). Diese Messungen wurden ohne jegliche Dämpfungsmaßnahmen, wie zB der Einbau von Polyesterwatte, durchgeführt. Der Frequenzverlauf weist eine ausgeprägte Absenkung des Schalldruckpegels bei 4,7 kHz und eine Überhöhung bei 5,4 kHz auf, welche sich so auch im Datenblatt des PS180 wiederfinden. Bei ca. 3 kHz zeichnet sich eine deutliche Depression ab, welche ebenfalls im Datenblatt erkennbar ist. Auch die im Datenblatt ersichtliche selektive Absenkung bei 14 kHz und der Buckel bei ca. 1,5 kHz kann durch die Messung bestätigt werden. Offenbar handelt es sich hier um ein vom Gehäusetyp unabhängiges und treibertypisches Verhalten.
Der Peak bei 5,4 kHz liegt um 9 dB über dem Peak bei 1.350 Hz, der wahrscheinlich die Grenze des baffle-steps darstellt. Im Übrigen verhält sich der Impedanzverlauf einigermaßen gutmütig mit typischerweise vier Peaks zwischen 20 und 200 Hz.
Testaufbau Rohgehäuse A noch ohne Treiber
Erste Messung Rohgehäuse A ohne Dämmung: Deutlicher Peak bei 5,4 kHz und Absenkungen bei
3 kHz und 14 kHz (die untere Kurve stellt den zugehörigen Impedanzverlauf dar)
Um die Pegelcharakteristik zwischen 1 und 3 kHz besser zu vestehen, wurden ergänzende Messungen mit einem vor dem Lautsprecher provisorisch montierten quadratischen Brettchen mit 37 cm Kantenlänge durchgeführt. Durch dieser Maßnahme sollte sich der Einfluß des baffle-steps klarer darstellen und abgrenzen lassen. Oberhalb von 3 kHz präsentiert sich das Pegelverhalten mit dem vorgesetzten 37 cm Brettchen praktisch gleich wie ohne Brettchen, was zu erwarten war. Zwischen 200 Hz und 3 kHz wird das Pegelverhalten jedoch deutlich vom vorgesetzten Brettchen beeinflußt: Zwischen 1,2 und 1,8 kHz findet eine Absenkung um rd. 3 dB statt; zwischen 300 und 900 Hz wird der Pegel um bis zu 2 dB angehoben (baffle-step). Aus dem Vergleich der beiden Pegelverläufe lassen sich jedoch keine eindeutigen Zuordnungen zu edge-diffraction und/oder baffle-step ableiten. Die beiden Pegelverläufe verhalten sich nicht wie erwartet, besonders die Pegelabsenkung zwischen 1,2 und 1,8 kHz um 3 dB widerspricht jeder Erwartung. Dieses unerwartete Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass das vorgesetzte Brettchen scharf über die 26 cm breite Gehäusewandung hervorragt und mit 5 mm sehr dünnwandig ist; zudem ist der Unterschied zwischen Original-Gehäusebreite (26 cm) und Brettchenbreite (37 cm) nicht sehr ausgeprägt. Auch der Kontrast zwischen Membrandurchmesser (15 cm) zur Schallwandbreite (26 cm bzw. 37 cm) ist nicht sehr stark. Die Kanten des Rohgehäuses waren aus akustischen und optischen Gründen bereits abgerundet ausgeführt. Die Effekte "baffle-step" und "edge-diffraction" lassen sich nur dann deutlich nachweisen, wenn die Schallquelle im Verleich zur Gehäusebreite sehr klein ist und die Gehäusekanten scharfkantig (edge diffraction!) ausgeführt sind. Das alles war aber bei meinen vergleichenden Messungen nicht gegeben, weshalb die Messergebnisse nur sehr schwer zu interpretieren sind. Vermutlich überlagern sich die beiden Effekte edge-diffraction und baffle-steps gegenseitig, was die Sache auch nicht gerade einfacher macht....
Was jedoch eindeutig festgestellt werden kann, ist, dass das Pegelverhalten oberhalb von 3 kHz ziemlich genau dem von Dayton Audio im Datenblatt angegebenem Verlauf entspricht. Die charakteristische Welligkeit zwischen 3 und 20 kHz ist auf (typische) Partialschwingungen des Dayton Audio Breitbänders zurückzuführen.
Rohgehäuse mit provisorisch vorgesetztem Brettchen
Messung Rohgehäuse A mit (pink strichliert) und ohne (sw) vorgesetztem 37 cm Brettchen
Um die ausgeprägte Pegelüberhöhung bei 5,4 kHz etwas zu dämpfen habe ich mit verschiedenen Sperrkreisen und Serieninduktivitäten experimentiert. Da es sich bei dem 5,4 kHz Peak aber um eine treibertypische Charakteristik handelt, kann diese Überhöhung nicht so einfach bekämpft bzw. „weggefiltert“ werden. Als vorerst bester Kompromiß hat sich ein 8 kHz-Sperrkreis mit 3,9µF/0,10mH/4R7 herausgestellt. Mit diesem Filter liegt der 5,4 kHz Peak „nur“ mehr um 6 dB über dem Pegel bei 1.350 Hz und konnte damit immerhin um 3 dB reduziert werden. Um das frische und transparente Klangbild nicht zu verwaschen, wurde auf eine stärkere Dämpfung verzichtet.
Der nachfolgend dargestellte Frequenzverlauf des Rohgehäuses A ist typisch für Exponentialhörner mit Breitbandchassis. Man darf sich vom welligen Verlauf nicht in die Irre leiten oder gar abschrecken lassen. Die ausgeprägte Welligkeit unterhalb von 500 Hz ist ein Charakteristikum von back-loaded Hornlautsprechern und resutliert aus der Überlagerung unterschiedlicher Effekte: a) ungenügende akustische Anpassung des Horns an den Hörraum durch meist viel zu kleine Mundöffnung, b) interne Reflexionen durch Faltung des Hornkanals, c) innerer Dämpfungsmaßnahmen (Dämmwolle) und d) Einfluß des Hörraums (Raummoden). Der Frequenzverlauf oberhalb von 3 kHz wird meist ausschließlich durch den verwendeten Treiber bzw. Breitbänder bestimmt und kann nur innherhalb bestimmter Grenzen beeinflußt werden. Ausgepräge Peaks oder Depressionen die typischerweise auf Partialschwingungen der Lautsprechermembrane zurückzuführen sind, können kaum oder nur sehr beschränkt bekämpft werden.
Messung Rohgehäuse A ohne Dämmung mit 3,9µF/0,10mH/4R7 Sperrkreis und ERB-smoothing
Doch nun geht es weiter mit der Fertigstellung der beiden Gehäuse.
Aufbringen Haftgrund ...
... Grundierung
Fertige Gehäuse noch ohne Chassis und Bespannrahmen
Bespannrahmen schwarz gebeizt
Vor dem endgültigen Einbau der beiden Breitbänder habe ich sie noch einige Stunden bei +/-20 Hz eingespielt. Durch das Einspielen sollen die Eigenschaften eines fabrikneuen Lautsprechers in kurzer Zeit an die, sich im laufenden Betrieb einstellenden, Eigenschaften angeglichen werden. Im Wesentlichen werden dadurch die mechanischen Eigenschaften des schwingfähigen Membran-Feder-Systems konsolidiert. D.h. die Zentrierspinne und das Federsystem "Sicke-Membran" werden durch große niederfrequente Auslenkungen bewußt stark beansprucht, wodurch sich etwaige Ungleichheiten und Unsymmetrien des Gesamtsystems ausgleichen und umlagern und sich dadurch die Eigenschaften des Lautsprechers auf den planmäßigen künftigen Zustand konsolidieren bzw. "einspielen". Durch das Einspielen wird das gesamte Masse-Feder System "weicher" und anfänglich vorhandene Widerstände, welche dem freien Schwingen der Membrane entgegenwirken, werden abgebaut. Im Ergebnis vermindert sich dadurch die Resonanzfrequenz bei gleichzeitiger Erhöhung der Impedanz. Am Beispiel des Chassis „A“ ist ersichtlich, dass der Einspielprozess die Freiluft-Resonanzfrequenz von 66,5 auf 63 Hz (-5,3%) und den Impedanzscheitel von 61 auf 64,5 Ω (+5,7%) verschoben hat. Am Gesamt-Impedanzverlauf im eingebauten Zustand haben sich praktisch nur Änderungen im ersten Peak bei etwa 23 Hz ergeben.
Einspielen der Chassis A und B bei 20 Hz
Starke Membranauslenkung, erkennbar durch Bildunschärfe am Schwirrkonus
Akustische Messungen und Feinabstimmung
Nach dem Einspielen habe ich beide Treiber in die Gehäuse eingebaut und vorerst ohne jegliches Dämpfungsmaterial mit dem anfänglich festgelegten 8 kHz-Sperrkreis (3,9µF/0,10mH/4R7) längere Zeit intensiv Probe gehört. Im Zuge des Probehörens habe ich die Bauelemente des Sperrkreises systematisch verändert und die Auswirkungen auf den Klang beurteilt. Im Hörtest hat sich herausgestellt, dass eine einzige Serieninduktivität von 0,10 mH ausreicht, um den Hochtonanstieg wirkungsvoll zu bedämpfen.
Um die Eindrücke meines Hörtests objektiv zu betätigen bzw. zu widerlegen, habe ich akustische Messungen mit verschiedenen Bauelementen und Maßnahmen durchgeführt:
A) Zuerst habe ich den 8 kHz-Sperrkreis (3,9µF/0,10mH/4R7) mit einer einzigen 0,10 mH Serieniduktivität verglichen. Im Wichtigen Frequenzbereich bis etwa 12 kHz waren allerdings nur sehr geringe Unterschiede von ca. 1-2 dB nachzuweisen, welche praktisch nicht wahrnehmbar sind. Über 12 kHz hinaus dämpft die Serieninduktivität erwartungsgemäß deutlich stärker als der Sperrkreis, was aber ebenso kaum wahrnehmbar sein dürfte. Aufgrund dieser Erkenntnis habe ich beschlossen auf den Sperrkreis zu verzichten und stattdessen nur mit der Serieninduktivität weiter zu arbeiten. Dies hat den Vorteil, dass für die Pegelkorrektur nur ein einziges Bauelement erforderlich ist und damit auch unerwünschte Phasenverschiebungen durch den Sperrkreis (Kapazität) eliminiert werden.
B) Als nächsten Schritt hab ich mir die Richtungsabhängigkeit der Box B mit einer Serieniduktivität von 0,10 mH näher angesehen. Wie bei einem Breitbänder zu erwarten war, ist die Richtungsabhängigkeit sehr stark ausgeprägt. Bereits bei einer Verschwenkung der Hörachse um 15° ist ein sehr starker Pegelabfall bei etwa 10 kHz zu erkennen (vierte blau gepunktete Linie von oben); weitere Verschwenkungen führen zu noch stärken Abweichungen.
Richtungsabhängigkeit Box B mit 0,10 mH zwischen 0° und 30°
C) Im Anschluß daran habe ich die Serieniduktivität entfernt und die Richtungsabhängigkeit erneut gemessen. Im Ergebnis ist ersichtlich, dass der Pegelverlauf bei 5° Verschwenkung einen verhältnismäßig gleichmäßigen Verlauf aufweist (zweite blaue Linie von oben). Ich habe deshalb auf die Induktivität gänzlich verzichtet. Bei einer Hörposition 5° off-center stellt sich somit ein sehr gleichmäßiger Pegelverlauf ein; zudem wird dadurch die Richtwirkung des Breitbänders subjektiv etwas gemildert.
Optimierter Pegelverlauf ohne Induktivität bei 5° Einschwenkung (blau) im Vergleich zu 0° Einschwenkung mit 0,10 mH Serieniduktivität (braun)
D) Als letzten Schritt habe ich mit verschiedenen Dämpfungsmaßnahmen experimentiert und festgestellt, dass der Einbau von 4 g Dämmwolle in den Halsquerschnitt den Pegel im Bassbereich vorteilhaft dämpft und um 200 Hz etwas vergleichmäßigt. Da der Pegelverlauf im Tieftonbereich grundsätzlich zufriedenstellend ist und durch den Raumeinfluß hier onehin kaum aussagekräftige Ergebnisse zu erwarten sind, habe ich auf weiterführende Versuche mit Däpfungsmaterial verzichtet.
Um die absolute Empfindlichkeit der Hornlautsprecher festzustellen, habe ich abschießend noch Pegelmessungen bei 1 W (2,83 V) in 1 m Anstand durchgeführt. Der durchschnittliche Wirkungsgrad liegt bei etwa 96 dB/2,83V/1m.
Pegel- und Impedanzverlauf Box B bei 2,83V/1m mit 4g Dämmung und 5° Einwinkelung
Auftackern schwarzen, elastischen Stoff auf Bespannrahmen
Beim Probehören im Stereobetrieb mit zwei Boxen fällt zunächst der hohe Wirkungsgrad der Lautsprecher auf. Selbst wenn der Lautstärkeregler nur sehr wenig aufgedreht wird, werden schon relativ hohe Pegel erzielt; hier ist ein Verstärker mit einer "-20 dB Muting" Funktion hilfreich! Obwohl die Charakteristik von Exponentialhörnern für mich nichts neues ist, hat mich doch überrascht, wie locker und unangestrengt die Lautsprecher aufspielen. Der Tieftonbereich wird druckvoll mit viel Punch und sehr knackig wiedergegeben. Die Mitten klingen im ersten Moment eher dunkler und rauchig, aber keineswegs unangenehm. Auch der im Pegelschrieb deutlich erkennbare Anstieg im Hochtonbereich macht sich beim Hören nicht unangenehm bemerkbar. Ich habe zum Hören die Lautsprecher etwas ausgewinkelt, sodass die Innenseiten der Gehäuse auf den Hörer zeigen. So werden die Höhen nicht überbetont und es sind stets Reserven vorhanden. Je nach räumlichen Gegebenheiten und persönlichen Vorlieben, können die Lautsprecher so aufgestellt werden, dass die Ausbauchung nach außen oder nach innen zeigen. Hier im Bild zeigen die Ausbauchungen nach außen, um die Stereobasis nicht allzu groß werden zu lassen.
Die Lautsprecher spielen im Tieftonbereich sehr autoritär mit klar konturierten Bässen. Bei manchen Einspielungen (Jaques Loussier, The Bach Book, Concerto in D major for harpsichord, TELARC CD-83474) sind die Trommelschläge sogar zu spüren! Sie spielen immer zupackend, kernig mit voluminösem Tief-Mittelton. Der Hochtonbereich ist weniger aggressiv als es die Messungen erwarten lassen würden und mit ausreichender Feinzeichnung. Kurzum, ich bin zufrieden und sehe meinem nächsten Projekt schon mit großer Freude entgegen......
Fortsetzung folgt!