Hornlautsprecher "Little Ear"

Compound-Horn C900/75 L200 mit Seas Breitbänder FEA18RCZ

Konzept und technische Planung

Bei den allermeisten Hornlautsprechern wird die exponentielle Öffnung des Hornkanals durch einen polygonalen Verlauf angenähert. Dies geschieht aus rein baupraktischen Überlegungen, weil ein polygonal begrenzter Hornkanal viel einfacher herzustellen ist als ein (exponentiell) gekrümmter Hornverlauf. Deshalb wird der Hornkanal häufig aus ebenflächigen Plattenwerkstoffen – zB MDF-Platten oder Schichtholz – aufgebaut. Eine solche Vorgehensweise ist üblich und legitim, jedoch sollte man darauf achten, dass der tatsächliche Hornverlauf nicht allzu sehr vom theoretischen (exponentiellen) Verlauf abweicht. Abweichungen bis zu 10% können üblicherweise noch toleriert werden, darüber hinaus sind negative Auswirkungen (zB Reflexionen durch unstetige Entwicklung des Strahlungswiderstands und damit verbundene Störungen und Verzerrungen) zu erwarten.

Da es mich immer schon gereizt hat einen Hornlautsprecher mit exakt exponentiellem Verlauf des Hornkanals zu bauen, habe ich mir überlegt, wie der gekrümmte Hornkanal am besten realisiert werden könnte. Im Zuge meiner Überlegungen bin ich auf die Idee gekommen, den gesamten Hornkanal aus mehreren Lagen Karton herzustellen. Um das Hornprojekt möglichst nachhaltig zu gestalten, habe ich den Hornkanal ausschließlich aus altem und gebrauchtem Karton hergestellt. Was bietet sich dafür besser an als alte Fahrradkartons? Also bin ich losgezogen und habe sämtliche Fahrradgeschäfte in meiner Umgebung abgeklappert und die nicht mehr benötigten Kartonverpackungen mitgenommen. Diese Kartons sind sehr groß und weisen eine hohe Stabilität auf. Bevor ich auf die Jagd nach alten Kartons gegangen bin, habe ich mir selbstverständlich einige Gedanken für das Design des neuen Hornprojekts gemacht. Da es sich bei dem Projekt um einen Prototypen mit ungewissem Erfolg handelt, habe ich ihn relativ klein gehalten. Der Hornlautsprecher sollte ca. 1 m hoch und nicht tiefer als 50 cm sein. Die innere Breite habe ich mit 30 cm begrenzt um nicht allzu viel Karton zu verbauen und noch einen ansprechend schlanken Eindruck zu erzielen. Dazu wird der Hornkanal aus exakt zugeschnittenen und lagenweise übereinander gestapelten Kartonprofilen so weit aufgebaut, bis eine lichte Kanalabreite von 30 cm erreicht ist. Die einzelnen Karton-Lagen werden mit Tapentekleister jeweils miteinander verklebt, sodass ein stabiles Recycling-Schichtkonstrukt entsteht, quasi ein „Riesen-Ildefonso“. Damit die Einzelprofile nicht auseinanderfallen und während des Zusammenklevbens ihre Form behalten, weist jedes Profil vier Verbindunsstege auf, die später herausgeschnitten werden. Seitenwände und Schallwand zur Aufnahme des Breitbänders werden aus 16 mm starken MDF-Platten hergestellt.

Ursprünglich wollte ich für das Projekt den 8“ Breitbandlautsprecher VIVO vom Lautsprecherwerk einsetzen. Da ich jedoch noch die sehr guten 6,5“ Breitbandlautsprecher FEA18RCZ von Seas übrig hatte, habe ich diese verwendet. Aus meinen bisherigen Erfahrungen mit Hornlautsprechern der 6,5“ Klasse, habe ich die Designparameter vorläufig mit AH 75 cm², AM 900 cm² und einer Hornkanallänge von 1,50-1,90 m festgelegt. Um eine geeignete und materialeffiziente Form zu finden, habe ich verschiedene Entwürfe im Maßstab 1:10 und 1:5 gezeichnet. Da sich bereits in den ersten Vorstudien die Form einer Ohrmuschel abzeichnete, wurde das Projekt „Little Ear“ getauft.

Der erste Entwurf fiel recht unharmonisch aus, auch die gewünschte Hornkanallänge von mindestens 1,50 m konnte damit nicht erzielt werden. In der zweiten Entwurfsphase konnte die Hornkanallänge bis auf 1,90 m gesteigert werden, jedoch wirkten diese Entwürfe auch noch recht plump. Der dritte Entwurf wies bereits eine brauchbare Tiefe von 45 cm auf und schien einigermaßen realisierbar zu sein. Um die Richtwirkung des Breitbänders bestmöglich zu berücksichtigen und sowohl im Sitzen als auch im Stehen noch einen guten Höreindruck zu erzielen, habe ich die Schallwand um 10° nach hinten geneigt. Meinen bisherigen Entwürfen lag immer ein klassischer exponentieller oder hyperbolischer Hornverlauf zu Grunde. Im dritten Entwurf zeichnete sich bereits klar ab, dass die verbleibende Wandstärke im Bereich des Hornmundes wahrscheinlich weniger als 6 cm beträgt. Um eine Mindestwandstärke des Karton-Aufbaus von 6 cm sicherzustellen, habe ich die Hornkontur von „exponentiell“ auf „compound“ umgestellt. Die „compound“ Kurve liegt zwischen der exponentiellen und der hyperbolischen Form und öffnet sich deshalb langsamer als die zuvor gewählte exponentielle Kurve. Der Compound-Kanal ist nicht der arithmetische Mittelwert aus exponentieller und hyperbolischer Funktion. Vielmehr repräsentiert er eine über die Kanallänge gewichtete Mittelung der exponentiellen und hyperbolischen Kontur. Mit der gewählten Compound-Form kann gegen Ende des Hornkanals die Wandstärke von 6 cm erhalen bleiben und somit eine höhere Gesamtstabilität erzielt werden.

Erster Entwurf – grobe Anschätzung

Zweiter Entwurf – längerer Hornkanal

Dritter Entwurf – kompaktere Form, geringere Tiefe

Unterschied zwischen exponentiellem, compound und hyperbolischem Hornverlauf

Der vierte Entwurf zeigt bereits ein Compound-Horn mit durchgängig 6 cm Wandstärke. Der fünfte Entwurf bestätigt die Machbarkeit im Maßstab 1:5 und eröffnete zudem die Möglichkeit, die Hornkanallänge von 1,90 auf 2,00 m zu verlängern. Der sechste Entwurf ist bereits der endgültige Bauplan, welcher im Maßstab 1:1 auf einen Karton übertragen wurde und fortan als Master-Vorlage für alle folgenden Karton-Lagen diente.

Vierter Entwurf – Compound Horn

Fünfter Entwurf

Sechster Entwurf – Bauplan mit L = 2,00 m

Im Zuge der Detailplanung hat sich eine bemerkenswerte Sonderlösung herauskristallisiert, die ich hier näher erläutern möchte. Würde man den Hornkanal durchwegs mit einer konstanten Kanalbreite von 30 cm ausführen, so errechnet sich für den Hornhals eine Kanalhöhe von nur mehr 2,5 cm (H = AH/B = 75 cm²/30 cm = 2,5 cm). Eine dermaßen geringe Konstruktionshöhe ist aus mehreren Gründen unpraktisch. Zum einen würden sich hier unvermeidliche Ungenauigkeiten beim Ausschneiden der einzelnen Kartonprofile stärker auf den Querschnittsverlauf auswirken als in Bereichen mit größerer Höhe. Eine Abweichung von 3 mm würde hier bereits eine Querschnittsänderung von 12% nach sich ziehen. Andererseits schränkt ein 2,5 cm hoher Kanal die allgemeine Zugänglichkeit stark ein. Dies ist besonders bei der nachträglichen Glättung und schalldichten Abdichtung der Innenseite des Hornkanals von Bedeutung. Ich habe deshalb beschossen, den Hornkanal auf den ersten 65 cm mit einer konstanten Höhe von 5 cm auszuführen. Damit der Kanalquerschnitt auf den ersten 65 cm dennoch planmäßig der Compound-Kurve folgt, wird hier die Kanalbreite stetig von 15 auf 30 cm verzogen. Somit weist der Hornkanal von 0 bis 65 cm eine konstante Höhe von 5 cm auf, wohingegen die Breite von 15 auf 30 cm anwächst. Im weiteren Verlauf weist der Hornkanal bis zu dessen Ende bei L= 2,00 m eine konstante Breie von 30 cm auf, wobei sich die Kanalhöhe stetig von 5 auf 30 cm erhöht.

Dieser Kanalverlauf ist als erste Idee bereits in der oberen Hälfte der dritten Entwurfsskizze dargestellt.

Hauptdaten

Treiber Seas FEA18RCZ		Horn C900/75 L200
SPL	89,7 dB/W(1m)	H/B/T	110/33/45
F_s	42 Hz	A_M	900 cm²
S_d	136 cm²	A_H	75 cm²
Q_e_s	0,42	A_M/A_H	12
Q_ms	6,29	A_H/S_d	0,55
Q_ts	0,39	ε	1,24
EBP	100	L	2,00 m

Gehäuseaufbau

Kartonsammlung

Übertragung Bauplan auf Karton M 1:1

Masterprofil mit vier Verbingungsstegen

Einzelprofile mit Verbindungsstegen aus Karton ausgeschnitten

Einkleistern Einzelprofile

Auf MDF-Seitenwand aufgeklebtes Profilpaket noch mit Verbindungsstegen

7,5 cm starkes "linkes" Profilpaket mit variabler Kanalbreite auf den ersten 65 cm

Aubau des gegenüberliegenden "rechten" Profilpakets

Herausschneiden eines Verbindungsstegs mit Multitool

Rohes Profilpaket "links" ohne Verbindungsstege

Nachdem der Kleber der Profilpakete vollständig getrocknet war, hat sich leider gezeigt, dass sich die Profilpakete samt MDF-Seitenwänden sehr stark verformt haben. Durch das Auftrocknen des Tapetenkleisters haben sich die Pakete am oberen und unteren Ende jeweils um 5 cm aufgebogen, sodass ein paralleles Aneinanderfügen des linken und rechten Pakets nicht mehr möglich war. Das verbogene Gesamtkonstrukt war so stabil, dass ein Geradebiegen oder Zurückbiegen unmöglich war! Also blieb mir nichts anderes übrig, als die beiden Kartonpakete sehr vorsichtig von den Seitenwänden zu lösen, was mit Hilfe eines großen Küchenmessers und einer Malerspachtes auch einigermaßen gut gelang. Die Kartonpakete selbst waren zwar immer noch stark gekrümmt, ließen sich jedoch in eine planebene Form zurückbiegen. Die MDF-Seitenwände konnten nur durch vorsichtige Befeuchtung und anschließendes "Geradepressen" einigermaßen in ihre ursprüngliche Form zurückgeführt werden. Nach all diesen "Rettungsmaßnahmen" verblieb sowohl bei den Kartonprofilen, als auch bei den mittlerweisel wieder aufgetrockneten MDF-Seitenteilenjedoch immer noch eine gewisse Restkrümmung. Es mußten nun Mittel und Wege gefunden werden, um diese verbliebene Restkrümmung sicher in den Griff zu bekommen.

Leicht aufgebogene bzw. gekrümmte Kartonpakete

Ich habe mich dazu entschieden, die fertigen Kartonpakete miteinander zu verkleben und dann zwischen die MDF-Seitenwände "einzuspannen". Dazu werden die Seitenwände mit Hilfe von 10 mm starken Buchenholzstäben miteinander verklebt. Um den Hornkanalquerschnitt nicht einzuschränken, habe ich die Buchenholzstäbe durch das Kartonmaterial gesteckt. Zusätzlich werden die Seitenwände noch durch die 30 x 30 cm große Schallwand, in die später der Breitbänder montiert wird, verstärkt. Um Unebenheiten und kleinere Fehlerstellen zwischen den Klebeflächen der einzelenen Profilpakete auszugleichen, habe ich die Pakete jeweils mit aufschäumendem PUR-Kleber miteinander verklebt. Bei Verwendung des PUR-Klebers erfolgt kein Feuchtigkeitseintrag in die zu verklebenden Teile, wodurch unerwünschtes Aufwerfen und Aufbiegen der Kartonpakete vermieden wird.