5. Offene Schallwand und Raumeinfluss

Der umgebende Raum bestimmt die Wiedergabe einer Offenen Schallwand wesentlich mit - insbesondere im Bass. Wie wir diese Einwirkungen durch richtige Dimensionierung und Platzierung der Offenen Schallwand positiv nutzern können, wird im folgenden beschrieben.

5.1 Einfluss der Bodenaufstellung

• Die Schallwand wirkt nach unten nicht mehr als Dipol, da kein akustischer Kurzschluss stattfinden kann.
• Der nach vorn und hinten kugelförmig abgestrahlte Schall wird zur Hälfte vom Fußboden reflektiert und verdoppelt den in die obere Raumhälfte strahlenden Schall.

Während die erste Auswirkung keine schwerwiegenden Konsequenzen hat, ist die zweite fundamental wichtig. Da EDGE keinen Fußboden simulieren kann, ersetzen wir ihn durch eine Spiegelschallquelle. D. h., wir stellen unter den zu simulierenden Lautsprecher einen zweiten, exakt gleichen, nach unten gespiegelt. Gemessen wird auf Chassishöhe des oberen Lautsprechers.

Für Wellenlängen, die sehr groß sind im Vergleich zum Lautsprecherabstand vom Boden, ergibt sich ein Gewinn von 6 dB durch den Fußboden. Bei höheren Frequenzen kommt es zwischen dem Direktschall und dem vom Boden reflektierten Schall zu Laufzeitunterschieden - und damit zu Auslöschungen.

Die Lage der Auslöschungen hängt von der Hörentfernung ab. Für die Simulation sind 3 m angenommen. EDGE geht außerdem von einem ideal reflektierenden Boden aus (per Spiegelschallquelle). Unter realen Bedingungen sind die Auslöschungen ab 2000 Hz praktisch nicht mehr hörbar.

5.2 Abstand des Lautsprecherchassis zum Boden

Wir haben bereits in Kap. 3.1 gesehen, wie wichtig viel Schallwandfläche für die Bassabstrahlung eines Dipols ist. Eine vergleichbare Wirkung hat auch viel Bodenfläche. Je näher der Lautsprecher dem Boden kommt, desto stärker wird der Bass. Abb. 5.4 zeigt die Zunahme für Chassishöhen von 85 (grün), 60 (lila) und 30 cm (rot) über dem Boden.

Interessant ist auch, dass die erste Bassauslöschung durch Bodenreflektion sich durch Absenken des Lautsprecherchassis zu höheren Frequenzen verschiebt. Ein weiterer Grund, weshalb Offene Schallwände mit tiefliegenden Breitband-Chassis von manchen Verfechtern der reinen Lehre bevorzugt werden.

5.3 Einfluss des Rückwandabstands

Wir sind bisher davon ausgegangen, dass der Schall von der Rückseite der Membran um die Schallwand nach vorn wandert und sich ansonsten im Raum "verliert". Aber natürlich befindet sich irgendwo hinter dem Lautsprecher eine Wand, die den Schall nach vorn reflektiert. Es ist zu beachten, dass der von der Membranrückseite ausgehende Schall gegenüber dem von der Vorderseite um eine halbe Wellenlänge versetzt ist.

• Ist der Weg von der Membranrückseite über die Rückwand bis zur Schallwand ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge, dann trifft dieser Schall um eine weitere halbe Wellenlänge versetzt mit dem von der Membranvorderseite zusammen. Es kommt zur Verstärkung.
• Ist dieser Weg ein geradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge, dann trifft dieser Schall ohne Versatz mit dem von der Membranvorderseite zusammen. Es kommt zur Abschwächung.

Bei einem Wandabstand von 0,9 m gelten z. B. folgende Werte für Maxima und Minima:

Wie sich solche Reflektionen auswirken, zeigen die folgenden Simulationen mit den neuen Open Baffle Worksheets von Martin J. King:

Bei gleichen Randbedingungen fallen übrigens die Verstärkungen und Auslöschungen durch Rückwandreflektion bei einer geschlossenen Box weitaus geringer aus:

Durch Variation des Dipolabstands zur Rückwand lässt sich der Frequenzgang am Hörplatz verändern, um zum Beispiel Auslöschungen durch andere Raumeffekte etwas auszugleichen. Wir sehen, dass sich die Auswirkungen im wesentlichen auf den Bereich 100-500 Hz beschränken. Bei höheren Frequenzen folgen Maxima und Minima so dicht aufeinander, dass das Ohr den Wechsel nur noch bei reinen Sinustönen wahrnimmt.

Wichtig ist auch ein weiterer Abstandsaspekt, der bereits in Kap. 4.4 angesprochen wurde. Erst wenn die Reflektion mindestens 6 ms (entspricht 2 m Weglänge) nach dem Schall von der Membranvorderseite am Hörplatz eintrifft, wird sie als separates Ereignis wahrgenommen und dem Raumhall zugeordnet. Bei einem Abstand unter 6 ms wird das Klangbild unpräzise. Aus diesem Grund sollten Offene Schallwände einen Mindestabstand von 1 m zur Rückwand haben.

5.4 Dipol an Seitenwand

Ähnliche Bedingungen wie für den Rückwandabstand gelten natürlich auch für die Seitenwände und die Decke. Wegen des Dipolkurzschlusses in der Membranebene wirken sie sich aber geringer aus.

5.5 Weniger Diffusfeld für Dipole

Wir betrachten einen herkömmlichen geschlossenen Lautsprecher (Monopol) und einen Dipol bei niedrigen Frequenzen, bei denen noch keine Bündelungseffekte einsetzen. Beide Lautsprecher sollen am Hörplatz gleich laut sein.

Es ist offensichtlich, dass der Dipol insgesamt wesentlich weniger Schallenergie in den Raum abstrahlt. Es sind nur 1/3 entsprechend -4,8 dB. Das führt dazu, dass der Diffusschall im Raum beim Dipol ebenfalls um 4,8 dB niedriger ist als beim Monopol.

Die Schallstärke nimmt vom Lautsprecher in Richtung Hörer linear ab. Der Punkt, an dem Direktschall und Diffusfeld gleich werden, ist beim Dipol (D) weiter vom Lautsprecher weg als beim Monopol (M). In einem typischen Raum sind diese Entfernungen rund 0,7 m (M) und rund 1,2 m (D). Bei angenommenen 3 m Hörentfernung ist der Direktschall dann 12,4 dB unter dem Diffusschall beim Monopol und nur 7,7 dB darunter beim Dipol. Eine exakte Herleitung dazu liefert Linkwitz.

Unmittelbare Folge ist, dass Klangdetails deutlich weniger vom allgemeinen Raumgeräusch verdeckt werden als bei herkömmlichen Lautsprechern. Die Dipolwiedergabe wirkt klarer und präziser.

5.6 Anregung von Raummoden

Räume sind Hohlkörper. Sie wirken als Resonatoren für alle Frequenzen, die mit einer halben Wellenlänge oder einem mehrfachen davon zwischen die Raumwände passen. Wie sich die Platzierung von Monopol und Dipol entlängs der betreffenden Raumachsen jeweils auf diese Resonanzen auswirken, untersuchen wir im folgenden. Wir verwenden dazu eine Java-Simulation und betrachten zwei Druckwellen, die vom Monopol bzw. Dipol nach rechts (oberes Diagramm) und links (mittleres Diagramm) entlang der Raumachse abgestrahlt werden. Untersucht wird nur die Resonanz bei der halben Wellenlänge.

Fall Monopol
Von Monopolen ist bekannt, dass sie diese Raummoden bei wandnaher Aufstellung besonders gut anregen. Weiter weg von der Wand wird es komplexer. Der Mechanismus ist aber leicht zu verstehen:

• Monopol an der Wand:
  Wir geben im Java-Applet ein: f(x,t): 3*sin(1/2*pi*(x/3-t/2)) und g(x,t): 3*sin(1/2*pi*(x/3+t/2)) und klicken anschließend auf das Feld "Forward".
  Der Lautsprecher steht am linken Diagrammrand. Wie wir sehen, sind die dort nach rechts und links abgestrahlten Druckwellen stets gleichphasig. Das gleiche gilt für die beiden Reflektionen an der gegenüberliegenden Wand rechts. Die Summe ergibt eine maximal angeregte stehende Welle im Raum (unteres Diagramm). Dabei sind die Druckschwankungen (sprich Lautstärke) an den Stirnwänden am größten und in der Raummitte am kleinsten.

  Das gilt für alle Frequenzen, bei denen ein Vielfaches der halben Wellenlänge zwischen Front- und Gegenwand passt.

• Monopol in Raummitte:
  Wir geben im Java-Applet ein: f(x,t): 3*sin(1/2*pi*(x/3-t/2)+3) und g(x,t): 3*sin(1/2*pi*(x/3+t/2))
  Der Lautsprecher steht in Diagrammmitte. Von dort gehen gleichphasige Druckwellen nach rechts und links. An den Stirnwänden treffen sie auf jeweils gegenphasige Reflektionen aus der anderen Richtung. Es kommt dort zur weitgehenden Auslöschung. Die Summe (unteres Diagramm) zeigt, dass maximale Druckschwankungen (sprich Lautstärke) nur in der Raummitte erzeugt werden. An den Stirnwänden kommt keine Anregung zustande.

  Allerdings: Wenn die Raumlänge einer ganzen Wellenlänge (oder einem Vielfachen davon) entspricht, passen die reflektierte Druckwelle und die nächste erzeugte Druckwelle wieder zusammen. Die Anregung wird wieder maximal.

• Monopol im ersten Raumdrittel:
  Wir geben im Java-Applet ein: f(x,t): 3*sin(1/2*pi*(x/3-t/2)-1.5) und g(x,t): 3*sin(1/2*pi*(x/3+t/2))
  Der Lautsprecher steht jetzt im Diagramm zwischen erstem und zweitem Teilstrich von links. Von dort gehen gleichphasige Druckwellen nach rechts und links. Beim Zusammentreffen an den Stirnwänden ergeben sich Phasenunterschiede - aber nicht so stark wie bei der Lautsprecherposition in Raummitte. Die Summe (unteres Diagramm) zeigt maximale Druckschwankungen (sprich Lautstärke) an der Lautsprecherposition und geringfügig weniger an den Stirnwänden. Lautstärkeminimum (für die Resonanzfrequenz) ist zwischen erstem und zweitem Teilstrich von rechts. Dort wäre also eine sinvolle Hörposition.

Weil die Verstärkung der Raummoden immer dann am größten ist, wenn der Monopol in einem Druckmaximum der Raumresonanz steht, nennt man Monopole auch "Druckwandler". Druckmaxima liegen bei 0/2, 1/2, 2/2, 3/2 ... der jeweiligen Wellenlänge.

Fall Dipol
Dipole haben - auch im Bass - eine deutliche Richtcharakteristik. Deshalb werden Resonanzen in der Hoch- und Querachse grundsätzlich weniger angeregt als in der Längsachse. Untersucht wird im folgenden nur ein Dipol, dessen Längsachse zur Gegenwand gerichtet ist.

• Dipol an der Wand:
  Wenn die Dipol-Längsachse senkrecht zur Wand ausgerichtet ist, wird der nach hinten austretende Schall unmittelbar nach vorn reflektiert. Da vorder- und rückseitiger Schall um eine halbe Wellenlänge verschoben sind, kommt es zu erheblicher Auslöschung. Der Restschall sollte auf den Raum ähnlich wirken wie beim Monopol an der Wand.

  Dieses Verhalten trifft für alle Frequenzen zu, deren Wellenlänge groß ist im Vergleich zum Wandabstand des Dipols

• Dipol in Raummitte:
  Wir geben im Java-Applet ein: f(x,t): 3*sin(1/2*pi*(x/3-t/2)) und g(x,t): 3*sin(1/2*pi*(x/3+t/2))
  Während der Dipol nach rechts eine Druck-Halbwelle abstrahlt, wird nach links eine Unterdruck-Halbwelle erzeugt. Nach der Reflexion an den Stirnwänden kommen beide Wellen genau rechtzeitig zum Lautsprecher zurück, um die nächsten Halbwellen zu verstärken. Die Anregung ist maximal. Dabei sind die Druckschwankungen (sprich Lautstärke) an den Stirnwänden am größten. In der Raummitte löschen sich gemäß dem Dipolprinzip die Druckunterschiede gegenseitig aus.

  Allerdings: Entspricht der Abstand zu den Wänden einer halben Wellenlänge, dann kommt die Druck- bzw. Unterdruck-Halbwelle genau zu dem Zeitpunkt zum Lautsprecher zurück, wenn dieser die nächste Druck- bzw. Unterdruck-Halbwelle abstrahlt. In gleicher Laufrichtung subtrahieren sich dann entgegengesetzte Halbwellen. Die Anregung ist minimal.

• Dipol im ersten Raumdrittel:
  Wir geben im Java-Applet ein: f(x,t): 3*sin(1/2*pi*(x/3-t/2)+1.5) und g(x,t): 3*sin(1/2*pi*(x/3+t/2))
  Der Lautsprecher steht im Diagramm wieder zwischen erstem und zweitem Teilstrich von links. Von dort gehen gegenphasige Druckwellen nach rechts und links. Beim Zusammentreffen an den Stirnwänden ergeben sich Phasenunterschiede, die zu verringerten Druckschwankungen (sprich Lautstärke) führen. Die Summe (unteres Diagramm) zeigt minimale Druckschwankungen an der Lautsprecherposition. Lautstärkemaximum (für die Resonanzfrequenz) ist zwischen erstem und zweitem Teilstrich von rechts.

Weil die Verstärkung der Raummoden immer dann am größten ist, wenn der Dipol in einem Schnellemaximum (=Druckminimum) der Raumresonanz steht, nennt man Dipole auch "Schnellewandler". Schnellemaxima liegen bei 1/4, 3/4, 5/4 ... der jeweiligen Wellenlänge.

5.7 Platzierung im Raum

Die folgenden Simulationen machen das deutlich. Sie wurden mit dem Room Response Calculator (RRC) der FRD Group hergestellt. Der RRC berechnet ausschließlich den Einfluss von Reflektionen am Hörplatz, berücksichtigt aber weder den 6 dB Dipolabfall im Bass noch die Anregung von Raummoden. Wir betrachten zuerst die Änderungen im Frequenzgang, wenn der Hörplatz in Richtung der offenen Schallwand verschoben wird:

Abb. 5.11: Resultierender Frequenzgang an verschiedenen Hörplätzen auf der Mittelachse des Raumes. Rückwandabstand 1 m (blau), 1,5 m (schwarz), 2 m (rosa), 2,5 m (grün) und 3 m (gelb). Lautsprecherabstand zur hinteren Wand 1,5 m.

Der günstigste Frequenzverlauf ergibt sich bei gleichem Wandabstand (hier 1,5 m) von offener Schallwand und Hörer. Wie nicht anders zu erwarten, vermindert sich der Einfluss der Reflektionen umso mehr, je näher Lautsprecher und Hörplatz zusammenrücken:

Abb. 5.13: Resultierender Frequenzgang bei unterschiedlichem Abstand von Hörplatz und offener Schallwand: 4 m (gelb), 3 m (blau), 2 m (rosa), 1 m (schwarz) und 0,5 m (grün). Aufstellung immer symmetrisch zur Raummitte.

Eine letzte Überlegung: Eine Aufstellung der Dipole im Punkt B führt zu einer minimierten Anregung der ersten Raummoden, weil hier ein niedriges Schnelleniveau liegt. Am Hörplatz A ist dagegen die Druckverteilung so homogen und niedrig wie möglich - also passend für den Hörplatz. Diese Anordnung sollte in Bezug auf Raummoden ein optimiertes Ergebnis liefern.

5.8 Druckverhältnisse im Tiefbass

Unterhalb der niedrigsten Raummode werden Räume zu Druckkammern. Monopole können hier echten Wechseldruck zwischen Gehäuseinnerem und Gehäuseäußerem (dem Raum) erzeugen. Die Abstrahlung wird bis zu tiefsten Frequenzen zunehmend unterstützt. Weil es bei Dipolen diesen Unterschied zwischen Innen- und Außendruck nicht gibt, fällt der Schalldruck unterhalb der niedrigsten Raummode erheblich ab, wie dieser Vergleich zeigt:

John Kreskovsky hat das für verschiedene Raumgrößen nachgewiesen. Es lohnt sich daher in den meisten Fällen nicht, Dipol-Lautsprecher in der untersten Oktave (16-32 bzw. 20-40 Hz) einzusetzen. Effizienter verhält sich ein Monopol-Sub bis 40 Hz.

 

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