Schallursprung bei Konus-Chassis

Lautsprecherbau und -tuning

Schallursprung bei Konus-Chassis

Beitragvon blueolymp » 17.09.2015, 19:41

Hallo zusammen,

ich frage mich, wo genau der Schallursprung bei Konus-Chassis ist?
Um einen Lautsprecher phasen- oder zeitrichtig einzubauen, soll man sich doch auf die Ebene der Staubabdeckung beziehen. Aber wo ist der Ursprung der Schallquelle genau?

Ist es die Kuppe des Dustcaps, von der sich dann der Schall kugelförmig ausbreitet?

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Oder ist der Ansatz des Dustcaps der Ursprung, von dem dann der Schall als "Ring" startet und sich weiter kugelförmig ausbreitet?

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Oder bildet sich die gesamte Membranfläche ab und es breitet sich dann kugelförmig vergrößernd dieser "Abdruck" aus?

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Ich vermute es ist letzteres und je kleiner die Abmessungen der Membran gegenüber der abgestrahlten Wellenlänge sind, umso weniger fällt diese "Ungenauigkeit" ins Gewicht.

Oder ist es noch ganz anders ...?

Gruß Schorse
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Beitragvon Hans-Martin » 17.09.2015, 21:54

Hallo Schorse,

als erstes fällt mir ein, dass bei konstanter Schallgeschwindigkeit alle Frequenzen eines Chassis zeitgleich beim Hörer eintreffen müssten, aber das tun sie nicht, weil die Phase hinzukommt. Einige Antworten findet man bei http://www.kirchner-elektronik.de/files/PDF_Download_Lautsprechermesstechnik.pdf ab Seite 44. Und dann kommt noch die Frequenzweiche mit ihrer Gruppenlaufzeit und der Phasendrehung im Transitbereich hinzu.

Ich würde davon ausgehen, das der praktische Ursprungsort der Schallumsetzung bei einem Chassis mit der Frequenz variiert. Ich kenne kein Chassis mit linearer Impedanzkurve über die Frequenz, und die elektrische Phase ist die erste Ableitung der Impedanz. Das sieht schon recht chaotisch aus:

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http://www.stereophile.com/content/monitor-audio-silver-rs6-loudspeaker-measurements#bRPcmqYzrpYcq3d5.97

Grüße Hans-Martin
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Beitragvon blueolymp » 17.09.2015, 22:30

Hallo Hans-Martin,

Hans-Martin hat geschrieben:Ich würde davon ausgehen, das der praktische Ursprungsort der Schallumsetzung bei einem Chassis mit der Frequenz variiert.

Das wäre eine Erklärung für die über den Frequenzverlauf verschobene Phase. Ist das denn ein typisches Merkmal einer Konusmembran (Trichter) oder einer Kalotte (Kugel)? Oder anders rum: hat eine Flachmembran hier einen Vorteil?

Gruß Schorse
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Beitragvon Hans-Martin » 17.09.2015, 22:42

hallo Schorse,

zu den beliebten Vorzeigeobjekten bezüglich Sprungantwort und Impulsverhalten gehört die Flachmembran des Manger Schallwandlers MSW. Ich habe Diagramme gesehen, die nach der Anwendung von Acourate dieses Verhalten noch erheblich verbessert zeigten. Das möge als Antwort genügen, wie auch immer man sie interpretiert.

Grüße Hans-Martin
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Beitragvon Hans-Martin » 18.09.2015, 13:58

Hallo Schorse,

selbst wenn der Lautsprecher ruht, bewegen sich die Luftteilchen unmittelbar an der Membran (Brownsche ("Molekular-")Bewegung). Die bewegte Membran erzeugt eine Schallwelle im Raum, aber wie beim Pendel ist der Punkt der maximalen Auslenkung zugleich der Punkt, wo die Membran sich kurzzeitig nicht bewegt, weil ein Richtungswechsel stattfindet. Hingegen ist die Ruheposition (Verstärker aus) etwa der Bereich, wo die Membran mit maximaler Geschwindigkeit durchgeht und die Bewegung maximal an die Luftteilchen vermittelt.

Die Pfeile deiner Grafiken verweisen auf Punkte. Ein bewegter Punkt vermag im Gewimmel der Luftteilchen nichts auszurichten, erst die hinreichend große Fläche. Ob (Nawi-)Konus oder konvexe Kalotte, die Formen sind nach Kriterien von Stabilität (wie eine Staumauer) gewählt. Wenn die Schallgeschwindigkeit in der Membran höher ist als in Luft, überholt sie die bei der Schwingspule angeregte Schallwelle und der vorn abgestrahlte Teil ist früher beim Hörer als der hinten mit dem größeren Abstand?

Am Beispiel Sprungantwort des Lautsprechers kann man das zeitliche Abstrahlverhalten analysieren, hier Avantgarde Uno Nano:

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und zerlegt auf die einzelnen Chassis:

Bild

kann man sehen, dass das Mitteltonhorn trotz deutlich weiter entfernter Treibermembran den Tiefton überholt, den Hochton nahezu einholt. Der Hochton ist invertiert und ca. 0,75ms voraus, der Mitteltöner schwingt 2 Schwingungen pro ms nach (entspricht 2kHz, das Nachschwingen taucht im Wasserfalldiagramm auch deutlich auf). Auf Hochtönerachse gemessen offenbart das Zeitverhalten der Box die Laufzeiten der Töne von den Membranen einschließlich Frequenzweicheneinfluss. Natürlich könnte man den Hochtöner 8cm zurückverlegen und umpolen, aber dann ist der Mitteltontrichter im Weg (hat stereophile.com beim Vorgänger gemessen)

Beim klassischen Tannoy Koaxialchassis der Churchill ist der Hochtöner auf der Rückseite des Magneten und das Horn wird durch den Polkern heführt und die Bassmembran verlängert es.

Bild

zeigt den Vorsprung des Hochtons vor dem mechanisch vorgelagerten Tiefton.

Ich habe noch nicht gesucht/gefunden geschweige denn selbst gemessen, und kann nicht sagen, ob eine atmende Kugeloberfläche gehörmäßig im Nahbereich so lokalisiert wird wie wenn die Welle (schon früher) von ihrem Zentrum ausginge. Aber da die erste Wellenfront am Ohr zählt und man normalerweise so nah dran nicht hört, ist das wohl akademisch.

Es wird Gründe haben, dass bei 99% aller Lautsprecher die Hochtöner vorauseilen. Es liegt in der Natur der Frequenzweiche, dass die tiefsten Töne die größte Verzögerung erfahren. Da ist der Ort der Schallabstrahlung schon fast nebensächlich, wenn man beschließt, alle Chassis mit einer bündigen formschönen Frontplatte anzuordnen.

Ein zurückliegender Hochtöner ist schwer zu integrieren, und dessen Reflexionen am Bassgehäuse wären eine ernsthafte Einschränkung. DSP oder Software wie Acourate kann die Exzessphase ausgleichen und damit die Sprungantwort optimieren. Uli hatte vor Jahren hier Musikstücke bemustert, bei denen die Unterschiede bei Gruppenlaufzeiten überraschend(?) hörbar wurden.

Da das zeitkohärente (oder noch besser zeitkoinzidente) Verhalten ein Merkmal guter Lautsprecher ist, beschäftigt man sich schon lange damit. Ich habe irgendwo noch einen Prospekt von einem Technics 3-weg LS mit Horn HT und MT, wo man eine vertikale Linie in der Seitenansicht gezogen hat, an der die Chassis ausgerichtet waren. Auch Brüel&Kjaer hatte ein Paper zum Thema Lautsprechermessung mit dem Hinweis auf den Versatz. Die optische Ausrichtung der Chassis ist somit in der Praxis wenig zielführend.

Grüße Hans-Martin
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Beitragvon blueolymp » 18.09.2015, 15:31

Hallo Hans-Martin,

vielen Dank für deine Erklärung.

Hans-Martin hat geschrieben:Es liegt in der Natur der Frequenzweiche, dass die tiefsten Töne die größte Verzögerung erfahren. Da ist der Ort der Schallabstrahlung schon fast nebensächlich, wenn man beschließt, alle Chassis mit einer bündigen formschönen Frontplatte anzuordnen.

Das sehen die Hersteller, die auf der Schallwand versetzte Chassis einbauen und mit "Zeitrichtigkeit" bewerben vielleicht anders. Oft wird ja auch eine Schallführung vor den HT gesetzt, um die daraus entstehenden Gehäuseprobleme, die du beschreibst, zu lösen.

Als Schallursprung wird doch gerne auf die Ebene des Dustcap verwiesen. Bei niedrigen Frequenzen, wenn der Lautsprecher als idealer Kolben arbeiten soll und die Membran noch kein Eigenleben mit Partialschwingungen hat, muss doch eine Art Bezugsebene für diesen Kolben definierbar sein. Diese Ebene muss klein gegenüber der abgestrahlten Wellenlänge sein, damit man überhaupt von einer Punktquelle sprechen kann. Und dann ist wohl auch unerheblich, dass die "Ebene" doch dreidimensional ist, wie ich es mit meinem 3. Bild andeuten wollte. Vielleicht kann man einen räumlichen Schwerpunkt aus der Membrangeometrie ermitteln.

Da stellt sich auch die Frage, ob ein Chassis mit oder ohne Dustcap gleich klingt oder arbeitet?
Ist in der Mitte ein Phaseplug oder ein unbewegter 2. Treiber (Coax), fällt die Fläche des Dustcap zum Bewegen der Luft ja weg. Das müsste den Kolben und seine Geometrie doch verändern...?

Hans-Martin hat geschrieben:zu den beliebten Vorzeigeobjekten bezüglich Sprungantwort und Impulsverhalten gehört die Flachmembran des Manger Schallwandlers MSW.

Auch mein Piega Coax sieht sehr flach aus. Eine Membran mit zwei Wegen in exakt der gleichen Ebene. :D

Gruß Schorse
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Beitragvon uli.brueggemann » 18.09.2015, 15:54

Das Versetzen von Chassis auf der Schallwand ist für mich eher ein Gimmick. Weil die typische Sprungantwort im wesentlichen durch die Frequenzweichen verursacht werden. Die im allgemeinen keine wirklichen Subtraktionsweichen sind. Und das Versetzen der Chassis trägt dann nicht wirklich zur verbesserten Sprungantwort bei und der Frequenzgang muss dabei auch nicht besser werden.

Siehe dazu auch mal ein altes WhitePaper von mir (allerdings englisch).

Grüsse
Uli
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Beitragvon O.Mertineit » 18.09.2015, 16:06

@Hans-Martin

Zu Manger MSW:

http://portal.tugraz.at/portal/page/por ... andler.pdf

vgl. ab S. 127

Beim Manger MSW kommt es wohl auch darauf an, wer die Messungen durchgeführt hat.
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Beitragvon Hans-Martin » 18.09.2015, 17:08

blueolymp hat geschrieben:
Hans-Martin hat geschrieben:zu den beliebten Vorzeigeobjekten bezüglich Sprungantwort und Impulsverhalten gehört die Flachmembran des Manger Schallwandlers MSW.

Auch mein Piega Coax sieht sehr flach aus. Eine Membran mit zwei Wegen in exakt der gleichen Ebene. :D

Hallo Schorse,

hier eine Messung von Piega C8 LTD

Bild

http://www.stereophile.com/content/piega-c8-ltd-loudspeaker-measurements hat geschrieben:The Piega C8's step response on the tweeter axis (fig.7, black trace) is complex, so I have overplotted the individual steps of the woofers (blue) and of the midrange/treble panel (red). All the drive-units are connected in positive acoustic polarity, but the speaker is not time-coherent. Although the ribbon is flat, the output of the tweeter section arrives first at the microphone, followed within 0.1ms or so by that of the coaxial midrange section, this presumably delayed a little by the crossover. The output of the woofers arrives a millisecond later, coinciding with the positive-going return to the time axis of the midrange step, which confirms the good frequency-domain integration of the drivers seen in fig.4.

0,1ms entspricht etwa 34,3mm.

Wie so häufig, eilt der Hochton auch hier voraus. Hochton und Mittelton liegen aber in einer Ebene, der Versatz erklärt sich aus der Weiche. 0,1ms entspricht 1/4 Wellenlänge bei 2,5kHz. Angegeben sind zwar 3,5kHz Übergangsfrequenz, LR 4ter Ordnung, aber die Impedanzkurve verrät etwas anderes:

Bild

nämlich einen Peak bei etwas über 2kHz.

Es ist nicht alles so, wie es auf den ersten Blick scheint ...

grüße Hans-Martin
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Beitragvon Hans-Martin » 18.09.2015, 18:06

uli.brueggemann hat geschrieben:Das Versetzen von Chassis auf der Schallwand ist für mich eher ein Gimmick. Weil die typische Sprungantwort im wesentlichen durch die Frequenzweichen verursacht werden. Die im allgemeinen keine wirklichen Subtraktionsweichen sind. Und das Versetzen der Chassis trägt dann nicht wirklich zur verbesserten Sprungantwort bei und der Frequenzgang muss dabei auch nicht besser werden.

Hallo Uli

Dunlavy SC-VI:

Bild
http://www.stereophile.com/content/dunlavy-audio-labs-signature-sc-vi-loudspeaker-measurements-part-2

Dunlavy SC-I:
Bild
http://www.stereophile.com/content/dunlavy-audio-labs-sc-i-loudspeaker-measurements

Sieht beides nicht schlecht aus. Dunlavy hatte BMTMB Aufbau mit konkaver Anordnung, und seine Frequenzgänge waren genausogut wie seine Sprungantwort. Überwiegend 6dB Weichen und Vifa-Chassis, also echt nur mit Wasser gekocht, Inspiration, Transpiration, ... Geht doch!

Grüsse Hans-Martin
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Beitragvon blueolymp » 18.09.2015, 19:05

Hans-Martin hat geschrieben:hier eine Messung von Piega C8 LTD
...
0,1ms entspricht etwa 34,3mm.

Hallo Hans-Martin,

ja das stimmt. Aber die zehntel Millisekunde kommt hier nur aus der Weiche. Bei einer klassischen Kalotten HT mit Konus MT Kombination kommt ein durchaus auch größerer mechanischer Abstand dazu, wenn beide Systeme ohne Versatz auf der Schallwand montiert sind. Und wenn man den Piega Coax mit digitalen Filtern aktiv ansteuern würde, könnte man seinen mechanischen Vorteil sicherlich gut herausarbeiten.

Gruß Schorse
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Beitragvon O.Mertineit » 19.09.2015, 12:23

Hallo Hans-Martin,

kurz zu einem von Dir gewählten Beispiel ...

Die Frequenzgänge nahe der Achse (im "Hauptabhörfenster") einerseits und das Rundstrahlverhalten (auch im größeren Bild) andererseits bestimmen gemeinsam hauptsächlich darüber, wie ein LS in einem gegebenen Raum "klingen" kann:

http://www.stereophile.com/floorloudspe ... C8kMGE4.97


Zum Rundstrahlverhalten

Vertikal:
http://cdn.stereophile.com/images/archi ... c8fig5.jpg

Horizontal:
http://cdn.stereophile.com/images/archi ... c8fig6.jpg

In der Horizontalebene sieht man hier eine "Tendenzumkehr" von "Verengung" zu "Aufweitung"
bei ca. 3Khz. Dort bzw. oberhalb dürfte etwa die Übernahmefrequenz (akustisch) zwischen dem Mitteltöner und dem Hochtöner der planaren Koax-Anordnung liegen:

Nimmt man also den Schalldruck auf Achse als Maßstab für die Lage der Übernahmefrequenz, so dürfte die Übernahmefrequenz noch merklich höher als 3Khz liegen. In der abgestrahlten Gesamtenergie des LS dürfte sich jedoch ein erheblicher Peak um 6Khz ergeben.

Dies rührt daher, daß der großflächige isodynamische Mitteltöner bis weit in seinen Frequenzbereich hoher Bündelung betrieben wird und dort (>3Khz) kein homogener Übergang hinsichtlich des horizontalen Rundstrahlverhaltens zum verwendeten Hochtöner mehr möglich ist.

U.a. konventionelle Mitteltöner - ggf. in D'Appolito Anordnung - würden hier eine weitaus kleinere Membranfläche ermöglichen und könnten die extreme Einengung in der horizontalen Abstrahlung oberhalb 2Khz vermeiden helfen.

Der Hochtöner selbst bleibt natürlich mit seinem unregelmäßigen Rundstrahlverhalten ein Problem: Bis 6Khz sieht man eine sehr breite Abstrahlung und darüber eine fast schon als "radikal" zu bezeichnende Einengung zu obersten Hochton hin.

Zu dem unregelmäßigen Rundstrahlverhalten über der Frequenz dürften neben der Ausdehnung der HT-Membran auch das sehr tiefe Korbfenster der Hochtoneinheit und die "rauhe" akustische Umgebung (tiefe Schlitze) auf der Schallwand beitragen.


Grüße Oliver
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Beitragvon O.Mertineit » 19.09.2015, 14:38

Ergänzung ...

Ein kurzer - sicher nicht ganz "markenneutraler" - Text von Dr. Floyd Toole, der trotzdem aufgrund des überblickartigen Inhalts m.E. lesenswert ist:

https://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q= ... 24&cad=rja


Daraus: Wichtige Parameter für die Hörerpräferenz bei Lautsprechern ...

Zitat Seite 13, Figur 9:
"Figure 9. Measurements that give us a very good prediction of how this loudspeaker will sound in a room. In a large anechoic chamber, at a distance of 2 m, a total of 70 frequency-response measurements were made at 10° intervals on horizontal and vertical orbits. The data were processed to yield these curves. Th e on-axis curve describes the direct sound, the fi rst sound to arrive at the ears of somebody seated in the ‘sweet spot’. Th e listening window describes the average direct sound for listeners seated or standing within a ±10º vertical, ±30º horizontal region directly in front of the loudspeaker – the entire audience in a home theater, for example. The next curve describes the sound of the average
strong early refl ections from the room boundaries, and the sound power is a measure of the total sound output of the loudspeaker without regard to direction. Th e bottom two curves describe the directivity (DI = Directivity Index) of the loudspeaker: how uniformly it radiates its sound into the room at all frequencies. Th e top DI curve is an adaptation of the ‘classic’ one, based on a comparison of listening window measurement and sound power. The lower DI curve is based on the ‘early refl ections’ curve. In a truly good sounding loudspeaker, the on-axis and listening window curves will be smooth and fl at, and the other curves will be smoothly and gradually changing. This is an example of an exceptionally
good loudspeaker, a three-way studio monitor listing at $1400 each.
"


Damit wird m.E. ein "relevanter Blickwinkel" umrissen, in dem auch Phasenverhältnisse zw. Treibern an Übernahmefrequenzen (damit auch unterschiedliche Schall-Entstehungs-Orte) einen Platz in der Betrachtung haben. Man kann z.B. Gruppenlaufzeiten zw. Teibern kaum ändern, ohne auch das Rundstrahlverhalten einer gegebenen LS-Anordnung zu beeinflussen.

Natürlich gibt es auch Hörschwellen für die Gruppenlaufzeit eines LS-Systems "an sich", wie sie für bestimmte Frequenzbereiche angenommen werden.


Grüße Oliver
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