Kantendiffraktion

Über Schallwandgestaltung, Kantendiffraktion, Sekundärschallquellen, … ... und deren Einfuss auf die Wiedergabequalität von Lautsprechern

KantendiffraktionEs soll untersucht werden wie sich die Gestaltung der Schallwand und die Anordnung der Treiber auf Selbiger, auf die Wiedergabequalität von Lautsprechern auswirken. Insbesondere wird das Augenmerk auf das Richtverhalten, sprich die Abstrahlung unter Winkeln, des Hochtöners gelegt. Neben dem Frequenzgang auf Achse (0°), hat ein ausgewogenes und gleichmäßiges Richtverhalten einen erheblichen, und in des Autors Empfinden bisweilen (zu) wenig beachteten, Einfluss auf die Wiedergabequalität, auch und insbesondere in Sachen räumlicher Darstellung des Klanggeschehens, von Lautsprechern.

Unausgewogenheiten zwischen Achs,- und Winkelfrequenzgängen resultieren sehr häufig aus einer ungeeigneten Schallwandgestaltung und Einbausituation der Treiber. Der Hochtöner „sieht“ im vorgesehenen Arbeitsbereich die Gehäusekanten, dort entstehen Sekundärschallquellen.

Wer Wert darauf legt das ein Lautsprecher nicht nur gut klingt, sondern auch eine möglichst gute Bühne aufbaut, sollte neben dem Lesen eindrücklicher Klangbeschreibungen, auch einen geschulten Blick auf die Schallwand des Lautsprechers werfen. Diesen Blick zu schulen ist das Anliegen dieses Artikels …

Im Folgenden wird das Richtverhalten von 25mm Hochtönern in unterschiedlichsten Einbausituationen untersucht. Der Einfluss von Tiefmitteltönern ist zumeist weniger problematisch und soll an dieser Stelle nicht näher betrachtet werden.

Die ersten vier Beispiele beruhen auf (zuverlässigen) Simulationen, unter der Annahme eines auf Achse linearisierten und bei 2kHz getrennten Hochtöners. Die Simulationen und Messungen zeigen die Winkel 0,30 & 60° horizontal.


Zunächst, Zwei Einbausituationen ohne, bzw. mit nur minimalem  Gehäuseeinfluss:

Die unendliche Schallwand

Gleichmäßiges, tadelloses Richtverhalten, ab der durch die Memranfläche des Hochtöners vorgegebenen Frequenz. Keinerlei Kantendiffraktion und/oder Sekundärschallquellen.


Hochtöner mit sehr kleiner Frontplatte, ohne Schallwand

Die „Gehäusekanten“, in diesem Fall die Kanten des Hochtöners selbst, sind so nahe, daß die zugehörige Frequenz  in einem Bereich liegt, in dem der Hochtöner bereits nicht mehr als Halbraumstrahler arbeitet. So „sieht“ Er Diese praktisch nicht. Das System kann als System ohne Schallwand betrachtet werden.

Gleichmäßiges, tadelloses Richtverhalten ohne Probleme durch Kantendiffraktion.

Die nicht vorhandene Schallwand verstetigt desweiteren das Richtverhalten zum Tiefmitteltöner hin, auch unterhalb der durch die Memranfläche des Hochtöners vorgegebenen Frequenz.  Ideale Voraussetzungen für eine bruchlose Anbindung an das Richtverhalten des Tiefmitteltöners.

Dieses Konzept findet Anwendung im Bauvorschlag Center-HQ.


„Worst Case“ Szenario

… in des Autors Sichtweise

Schallwand rechteckig, schmal, Hochtöner mittig, keine Schallführung, keine Fasen

Der Hochtöner „sieht“ im vorgesehenen Arbeitsbereich die Gehäusekanten. => Kantendiffraktion. Es entsteht ein Einbruch auf Achse einhergehend mit einer Überhöhung unter Winkeln. In der Simulation ist der Hochtöner linearisiert, sprich der Einbruch auf Achse wurde kompensiert, was die Überhöhung unter Winkeln entsprehend stärker zu Tage treten lässt. Unabhängig davon wie man den Treiber auf Achse beschaltet, die Diskrepanz zwischen Achs,- und Winkelfrequenzgängen bleibt bestehen.

Folgen:

Tonalität: Unausgewogenheit unter unterschiedlichen Abhörpositionen.

Räumlichkeit: Die Räumlichkeit leidet unter der unausgewogenheit aus Achs,- und Winkelfrequenzgängen

IdR. werden solche Konzepte mit einer Senke auf Achse abgestimmt, die dann unter Winkeln wieder „aufgefüllt“ wird. In Sachen Tonalität kann das sehr gut klingen. In einem für das Ohr empfindlichen Bereich gibt es eine Senke (Ich nenne Diese gerne „Ohrschmeichler“), energetisch fehlt trotzdem Nichts, da Sie unter Winkeln kompensiert wird.

Ein zweiter Ansatz wäre sehr hoch (in diesem Fall >3,5kHz) zu trennen. Allerdings handelt man sich dadurch andere Probleme ein. Der Tiefmitteltöner richtet in diesem Bereich bereits deutlich, und wird dann vom Hochtöner „abgelöst“ der noch als Halbraumstrahler arbeitet => Der Energiefrequenzgang ist unausgewogen. Im Bereich der Trennfrequenz wird zu wenig, darüber zu viel Energie in den Raum abgegeben. Desweiteren wird es in der Vertikalen einhergehend mit einer Erhöhung der Trennfrequenz immer unausgewogener. Der Abstand zwischen den Treibern muss immer in Relation zur Trennfrequenz gesehen werden.

Dieses Konzept findet Anwendung in sehr vielen, vA unter Zeit,- und oder Verkaufsdruck entwickelten Lautsprechern 😉


… mit 15mm Fasen

Schallwand rechteckig, schmal, Hochtöner mittig, beidseitig 15mm Fasen

Die Fasen schwächen die Störungen ab, trotzdem bleibt das grundsätzliche Problem bestehen. Oben geschriebenes gilt weiterhin.


Wie nun die Problematik umgehen?

Neben der unendlichen Schallwand, und der „praktisch nicht Vorhandenen“ gibt es weitere, vielversprechende Ansätze Kantendiffraktion zu vermeiden bzw. deutlich zu reduzieren.

Die folgenden Beispiele beruhen sämtlich auf realen Messungen aus von mir veröffentlichten Lautsprechern. Es besteht kein Anspruch auf Vollständigkeit.


Breite Schallwand mit großzügiger Verrundung an den Seiten

In diesem Fall liegt keine 60° Messung vor, daher werden 0,30 & 45° gezeigt.

Keine Kantendiffraktion im vorgesehenen Arbeitsbereich. Die (verrundeten) Kanten sind weit genug entfernt, so daß Sie nicht „gesehen“ werden. Ausgesprochen gleichmäßiges Richtverhalten.

Dieses Konzept fand Anwendung im Bauvorschlag WaveWall-182. Ein weiterer, sehr reizvoller Lautsprecher, der einen ähnlichen Ansatz verfolgt ist zB. der Grimm-LS1.


Hochtöner außermittig positioniert mit 12mm Fasen seitlich und oben

Geringer Einfluss durch Kantendiffraktion um 2,2kHz, der durch eine geeignete Filterung problemlos vom Tiefmitteltöner kompensiert werden kann. Darüber gleichmäßiges und störungsfreies Rundstrahlverhalten.

Dieses Konzept fand Anwendung im Bauvorschlag Samuel-HQ


Trapezförmige Fasen mit einer Steilheit >=20°, so nahe als möglich an den Hochtöner herangeführt

Leichte Aufweitung um 5kHz, ansonsten keine Probleme durch Kantendiffraktion. Das Bündelungsverhalten wird, dadurch daß der Hochtöner nur sehr wenig Schallwand sieht, zum Richtverhalten des Tiefmitteltöner hin verstetigt, was eine bruchlose Anbindung an Diesen erst ermöglicht.

Die obere Fase ist, je nach Konzept nicht unbedingt von Nöten. Unter Umständen könnte das Ergebnis ohne Diese sogar (noch) besser ausfallen.

Dieses Konzept findet Anwendung u.A in den Bauvorschlägen Samira & Samira-HWG.


Hochtöner mit Schallführung/Waveguide und maximal schmaler Schallwand

Keinerlei Kantendiffraktion. Äußerst gleichmäßiges Richtverhalten im gesamten Übertragungsbereich. Im Gegensatz zu normalen Kalottenhochtönern auch noch im Supehochton (>10kHz) breite und gleichmäßige Abstrahlung. Bzgl. horizontaler Bündelung eine nahezu perfekte Lösung.

Allerdings ist der Abstand zum Tiefmitteltöner größer als ohne Schallführung, was sich nachteilig auf das vertikale Abstrahlverhalten auswirkt. Umgangen wird diese Problematik durch eine entsprechend tiefere Trennung, die dank der Schalldruck steigernden und somit Treiber entlastenden Wirkung des Waveguides idR. auch realisierbar ist.

Dieses Konzept findet Anwendung in den Bauvorschlägen Cinetor & Cinetor-HWG


Schallführung (DXT) & trapezförmige Fasen

Es gilt selbiges wie im Beispiel vorher geschrieben, jedoch ohne die Problematik des großen Treiberabstandes. Der hier verwendete Hochtöner ist der Seas-DXT. In der Größe eines „normalen“ Hochtöners (D104mm), mit der Wirkung eines echten Waveguides. Faszinierend, und von Seiten des Autors noch nicht vollständig verstanden.

Die Trapezförmigen Phasen tun Ihr Übriges, insbesondere in Sachen Verstetigung des Bündelungsverhaltens hin zum Tiefmitteltöner. In breiteren Schallwänden gäbe es eine Aufweitung im Übertragungsbereich, idR. um 3kHz die nur durch eine entsprechend hohe Trennfrequenz zu kompensieren wäre.

Das horizontale Richtverhalten kommt dem, vom Autor empfundenen, theoretischen Ideal sehr sehr nahe!

Dieses Konzept fand Anwendung im Bauvorschlag DXT-Mon


Fazit:

Es gibt sehr sinnhafte und einfache Ansätze dem Thema Kantendiffraktion bei Hochtönern beizukommen:

  • Man gebe Ihm sehr viel Schallwand: Die Gehäusekanten sind weit genug entfernt, so daß der Hochtöner Sie im vorgesehenen Arbeitsbereich nicht sieht
  • Unsymmetrie: Möglichst keine identischen Abstände zwischen Kanten und Hochtöner. Dies lässt sich durch die Position des Treibers (außermittig) und/oder die Gestaltung der Schallwand erzielen. Als Beispiel hierfür sei die Rocket von Hifi-Selbstbau erwähnt.
  • …einhergehend mit so wenig als möglich Schallwand => Das Richtverhalten wird zum Tiefmitteltöner hin verstetigt, was die bruchlose Anbindung an den Tiefmitteltöner erheblich erleichtern kann (=> zB. Trapezförmige Fasen).
  • Verwendung von Schallführungen (Waveguides, Hörner) die eine deutliche Richtwirkung im, für Kantendiffraktion relevanten Frequenzereich, aufweisen. IdR. ist bei Waveguidelösungen eine maximal schmale Schallwand anzustreben, um dessen Abstrahlung zum Tiefmitteltöner hin zu verstetigen.

… es gibt eigentlich nur einen problematischen Fall

  • Eine rechteckige Schallwand, ca. in der Breite des Tiefmitteltöners, mit zentralem Hochtöner und ohne Schallführung…

Nach meiner Erfahrung ist ein gleichmäßiges und weitestgehend bruchloses Bündelungsverhalten eines der wichtigsten, wenn nicht sogar Das wichtigste Qualitätserkmal eines guten Lautsprechers.

Der werte Leser hat mit diesem Artikel (hoffentlich) gelernt Dieses, anhand der Betrachtung eines Lautsprechers, zumindest ansatzweise, beurteilen zu können. Ein wenig Messungen-lesen-Können ist trotzdem durchaus hilfreich…

Abschließend:

Es ist nicht sinnhaft vorhandene Lautsprecher nun mit Fasen, neuen Schallwänden, Schallführungen und/oder Treiberanordnungen zu versehen. Dies bedarf in den allermeisten Fällen einer messtechnischen Überprüfung und einer entsprechenden Anpassung der Frequenzweiche.

Bei Fragen, Anregungen & Kritik: Fühle Dich eingeladen die Kommentarfunktion zu nutzen!

 

 

6 Gedanken zu „Über Schallwandgestaltung, Kantendiffraktion, Sekundärschallquellen, … ... und deren Einfuss auf die Wiedergabequalität von Lautsprechern

  1. Hallo Alexander,

    Danke für diesen sehr informativen Artikel. Er hilft mir schon einmal sehr. Ich habe aber noch eine Frage 🙂

    Mich würde interessieren, wie sich die Schallwände der Harwood Referenz, oder CelLine hier einreihen. Speziell die Schallwand der CelLine finde ich sehr interessant und ich würde Sie gern für mein eigenen Lautsprecher verwenden.

    Theoretisch sollte diese Schallwand doch dem Optimum einer schmalen Schallwand am nächsten kommen und auch eine mittige Positionierung des Hochtöners erlauben.

    Ich bin hier aber noch zu unerfahren um mir eine aussagekräftige Meinung bilden zu können, weshalb ich auf dein Fachwissen hoffe.

    Viele Grüße
    Jacek

      1. Hey Alexander, vielen lieben Dank für deine Antwort. Das Gehäuse steht nun ganz oben auf meiner Favoritenliste 🙂

        Ich habe vom Entwickler (Peak-LSV) des Gehäuses auch noch folgende Beschreibung in einem Forum gefunden:
        „Mein Ansatz zu dieser Front ist, dass der Schall um mehr als 180 Grad gebeugt werden muss, bevor er die Schallwand „sieht“ … und dann trifft er auf unregelmäßige Flächen, welche den auftreffenden Schall in viele Richtungen zerstreut. Der Einfluss der Schallwand durch Reflexionen auf den Direktschall wird so reduziert. “

        Würde das bedeuten, dass der Schall zwar auf Achse sehr gut, aber das Rundstrahlverhalten darunter leidet?

  2. Hallo , sehr aufschlussreiche Arbeit ,vor allem klar dargelegt , Hab schon einiges an LSP Literatur gelesen ,aber noch nie in dieser klaren, auf den Punkt gebrachten Sprache ( Deutsch….) Hätte auch nicht gedacht ,dass es so starke Auswirkungen hat…..eine gute Möglichkeit wäre dann doch noch ein seperates HT Gehäuse auf die Box setzen ,gerade mal in HT Größe wie man es in manchen LSP als Kugel o. ähnliches sieht ? Schönen Gruß Norbert

    1. Hallo Norbert
      Danke für das Feedback!

      eine gute Möglichkeit wäre dann doch noch ein seperates HT Gehäuse auf die Box setzen ,gerade mal in HT Größe

      Genau diese Möglichkeit habe ich im Bausatz Center-HQ angewendet. Es funktioniert aber nur wirklich gut, wenn der Hochtöner sehr klein ist.
      Beste Grüße
      Alexander

  3. Hallo Alexander,

    vielen Dank für den interessanten Artikel. Für einen Frischling wie mich sehr informativ, wird mit Sicherheit bei der nächsten Gehäuseplanung berücksichtigt.

    Gruss,
    Lars

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