Bassreflex-Gehäuse

Bassreflexgehäuse mit Rohröffnung

Bassreflex-Gehäuse sind eine spezielle Form von Lautsprechergehäusen für Tiefton-Lautsprecher. Bei diesem Bassreflex-Lautsprecher ist das Volumen nicht abgeschlossen, sondern durch einen Kanal nach außen verbunden. Die Luftmasse in diesem Kanal bildet mit dem Gehäusevolumen einen Resonator (auch Helmholtz-Resonator genannt). Der Resonator bewirkt eine Erhöhung der Schallabstrahlung im Bereich seiner Serien-Resonanzfrequenz.

Resonanzabstimmung

Die Abstimmung der Resonanz erfolgt durch die Länge bzw. die Querschnittsfläche des Kanals (letztendlich die hin- und herbewegte Luftmasse, die zusammen mit der Elastizität des Luftvolumens in der Box einen Resonator bildet).
Meist durch Längenänderung des Bassreflexrohres muss eine Anpassung an die so genannten Thiele-Small-Parameter des Lautsprechers und an das Gehäusevolumen vorgenommen werden.
Die Abstimmung kann durch Experimente, mathematische Näherungsformeln (Abstimmung nach Hodge) oder mit Hilfe von Computersimulationen erfolgen. Bei der Simulation werden so genannte Ersatzschaltbilder verwendet. Das Ziel ist ein möglichst linearer Frequenzgang bis zur unteren Grenzfrequenz.

Die Verwendung von Bassreflex-Gehäusen (kurz: BR-Gehäusen) ermöglicht es, Lautsprecher (auch Chassis oder Treiber genannt) mit im Bezug auf die Größe ihrer Schallwandöffnung relativ starken elektrodynamischen Antrieben zu nutzen. Derartige Lautsprecher haben in geschlossenen Systemen einen geringen Wirkungsgrad bei tiefen Frequenzen im Bereich der Eigenresonanz.

Die durch das BR-Gehäuse festgelegte sog. Abstimmfrequenz kompensiert den schwachen Wirkungsgrad im Bereich tiefer Frequenzen - der Lautsprecher erzeugt bei gleicher Auslenkung der Membran eine höhere Schallintensität. Hierdurch werden Systeme mit höherem Wirkungsgrad bei gleichzeitig tieferer Grenzfrequenz als bei gleichgroßen geschlossenen Gehäusen ermöglicht.

Einfach ventiliertes Bassreflex-Gehäuse

Membranhub geschlossener (blau) und einfach ventilierter Gehäuse (violett) bei konstantem Freifeld-Schalldruck

Maximaler Schalldruck eines geschlossenen (blau) und eines einfach ventilierten Gehäuses bei konstanter Membranauslenkung: Deutlich ist der unterstützte Arbeitsbereich (Peak außerhalb der Grafik) und der darunter folgende steile Abfall des ventilierten Systems zu sehen

Der Wirkungsbereich des Resonators liegt im Bereich 0,75 *fb … 2 *fb, in diesem Bereich wird der maximale Schalldruckpegel um mindestens 2,5 dB verbessert.

Im Bereich zwischen 0,75 *fb und 0,9 *fb wird der Hub zwar verringert, er liegt dort aber trotzdem immer noch sehr hoch, so dass als optimaler Arbeitsbereich Frequenzen oberhalb 0,9 *fb angesehen werden können.

Asymptotisches Verhalten: 12 dB/oct unterhalb der Resonanzfrequenz, 12 dB/oct unterhalb der Tunnelresonanzfrequenz, 24 dB/oct, wenn beides zutrifft.

Berechnung des Reflexkanales

Die allgemeine Formel zur Berechnung von Helmholtz-Resonator-Kanälen mit kreisförmigem Querschnitt bei angenommenem Innendurchmesser d des Rohres lautet für dessen Länge l (jeweils in cm):

$l=\frac{23.400\ {\cdot}\ d^2}{f^2\ {\cdot}\ V_\text{B}}-0{,}8{\cdot}d$

Wobei f für die gewünschte Abstimmfrequenz (in Hertz) steht und V_B für das effektive Netto-Innenvolumen des Gehäuses (in Litern).

Bei BR-Boxen wird normalerweise eine Gehäusegüte Q_tc = 0,707 angestrebt (Butterworth-Charakteristk: optimale Balance zwischen Frequenzgang und Sprungantwort). Das entsprechende Innenvolumen ergibt sich aus der Gesamtgüte Q_ts des eingesetzten Chassis und seinem Äquivalentvolumen V_as (in Litern):

$V_\text{B}=11\ {\cdot}\ V_\text{as}\ {\cdot}\ {Q_\text{ts}}^{2{,}87}$

Die Kanallänge l (in cm) wird hier bei einer angenommenen Querschnittsfläche A_f (in cm²) auch über die Resonanzfrequenz f_s des Chassis ermittelt:

$l=\frac{{Q_\text{ts}}^{1{,}8}\ {\cdot}\ A_\text{f}\ {\cdot}\ 168.939}{{f_\text{s}}^2\ {\cdot}\ V_\text{B}}-\bigl(0{,}88{\cdot}\sqrt{A_\text{f}}\bigr)$

Die Ansteuerungsart der Lautsprecherbox beeinflusst jedoch das Ergebnis, da sich Q_ts aus der elektrischen Güte Q_es und der mechanischen Güte Q_ms des Chassis ergibt:

$Q_\text{ts}=\frac{1}{{\frac{1}{Q_\text{es}}}+{\frac{1}{Q_\text{ms}}}}$

Bei Einsatz einer passiven Frequenzweiche z.B. addieren sich deren Innenwiderstand und der Chassiswiderstand R_e zu R_Sum (jeweils in Ohm), wodurch sich Q_es folgendermaßen verändert:

$Q_\text{es*}=\frac{{Q_\text{es}}\ {\cdot}\ {R_\text{Sum}}}{R_\text{e}}$

Was für die obige BR-Kanal-Längenberechnung bedeutet, dass letztlich Q_ts durch Q_ts* ersetzt werden muss; zusammengefasst also durch:

$Q_\text{ts*}=\frac{{Q_\text{es}}\ {\cdot}\ {Q_\text{ms}}\ {\cdot}\ {R_\text{Sum}}}{{Q_\text{es}}{\cdot}{R_\text{Sum}}\ +\ {Q_\text{ms}}{\cdot}{R_\text{e}}}$

Diese Korrektur gilt in erster Linie für Passivlautsprecher. Bei aktiver Ansteuerung ( = keine weiteren Bauteile zwischen Verstärker-Endstufe und Chassis) wirkt hier nur der Ausgangswiderstand des Verstärkers, welcher bei gängigen Transistorendstufen wenig Einfluss hat - im Unterschied allerdings zu Röhrenverstärkern.

Grundsätzlich können BR-Kanäle beliebige Querschnittsformen aufweisen (solange diese über die gesamte Länge gleich bleiben) und auch gekrümmt, abgeknickt etc. sein. Zu kleine oder zu schmale Kanäle bewirken jedoch Luftverwirbelungen (Pfeifgeräusche), während zu große Kanäle u.a. für höhere, von der Membranrückseite des Chassis abgestrahlte Frequenzen hörbar "durchlässig" werden. Es können auch mehrere Kanäle zum Einsatz kommen. Solange sie identische Abmessungen aufweisen, gilt für ihre jeweilige Länge ebenfalls die obige BR-Kanal-Formel: Nur die Variable d muss dann durch d ∙√n ersetzt werden, wobei n für die Anzahl der Kanäle steht.

Zu beachten ist, dass V_B (wie zu Eingang dieses Abschnittes erwähnt) das effektive Netto-Innenvolumen des Gehäuses bezeichnet. Dies bedeutet einerseits, dass der Platzbedarf von eingelagerten Frequenzweichen oder hineinragenden Chassismagneten beim späteren Gehäusebau ebenso addiert werden muss wie jener des BR-Kanales selbst. Andererseits bewirkt eingebrachtes Dämpfungsmaterial - je nach Menge - eine virtuelle Vergrößerung von V_B um rund 10 ... 30%.

Bei Subwoofern ist oft eine Passivmembran dem BR-Kanal vorzuziehen.

Vorteile

• Deutlich höherer Schalldruckpegel (bis zu 13,5 dB) im Bereich der untersten Oktave möglich, bzw.
• Erweiterung der Leistungsbandbreite um 1,1 Oktaven (Faktor 2,2)
• Kräftigere Basswiedergabe bei Chassis mit stärkeren Antrieben, deren Frequenzgang sonst durch Gegeninduktion aufgrund großer Auslenkung frühzeitig absinkt.
• verschiedene Abstimmvarianten (Hooge, Thiele/Small, Novak, Bullock, …); Frequenzgang und Gehäusegröße bei gegebenem Chassis und Raumverhältnissen vielfältig gestaltbar.

Nachteile

• Größere Gruppenlaufzeit bzw. schlechtere Impulstreue
• Steilerer Abfall der Übertragungsfunktion unterhalb der unteren Grenzfrequenz
• Wenn das Chassis Frequenzen überträgt, deren Wellenlänge im Bereich der des Tunnels (Bassreflexrohr) liegt, kommt es zu Tunnelresonanzen. Dieses Problem tritt bei praktisch allen Bassreflexboxen auf, die mit dem gleichen Lautsprecher auch mittlere Frequenzen wiedergeben.
• Bei unzureichender Dimensionierung des Tunnels kommt es zu störenden Strömungsgeräuschen.
• Bei Abstrahlung von Schall unterhalb der Resonanzfrequenz des Gesamtsystems kommt es infolge fehlender Federsteifheit des Luftpolsters zu übergroßen Membranauslenkungen bei gleichzeitiger Auslöschung von Schall der Lautsprecher- und Tunnelseite (akustischer Kurzschluss). Die große Auslenkung führt zu nichtlinearen Verzerrungen und Intermodulation.

Sinnvolle Abstimmung

• Bei Passivlautsprechern:
  • Es gibt verschiedene Abstimmvarianten aus der Filtertheorie, die zu weitgehend linearem Bassfrequenzgang führen. Diese können als erste Näherung für den Entwurf verwendet werden.
• Bei Aktivlautsprechern:
  • Die Tunnelresonanzfrequenz legt den Leistungsfrequenzgang fest, bei festgelegter unterer Leistungsbandbreite berechnet sich diese zu $1{,}1 \cdot f_{\min}$.
  • Aktivlautsprecher baut man meist kleiner als Passivlautsprecher und entzerrt dann nachträglich elektronisch den Frequenzgang.

Diese elektronische Entzerrung beinhaltet praktisch immer einen Schutzfilter 2. bis 4. Ordnung vor Frequenzen unterhalb f_min . Solche Filtersteilheiten sind mit passiven Filtern (Lautsprecherweichen in Passivboxen) kaum zu realisieren bzw. sind zu materialintensiv.

Die Reduktion des Gehäusevolumens ist limitiert durch die im Tieftonbereich erforderliche höhere elektrische Leistung - es muss weiterhin gewährleistet sein, dass die mechanische Übersteuerung vor der elektrischen Überlastung auftritt. Weiterhin darf der Resonatortunnel nicht zu lang werden (Richtwert ~1/Vs).

Literatur

• Götz Schwamkrug: Lautsprecher-Boxen Aufbau-Umbau-Nachbau. 2. Auflage, Elektor-Verlag, Aachen, 1989, ISBN 3-921608-83-X
• Berndt Stark: Lautsprecher Handbuch. 7. Auflage, Richard Pflaum Verlag GmbH & Co.KG, München, 1999, ISBN 3-7905-0807-1

Siehe auch

• Lautsprecher
• Subwoofer

Weblinks

 Commons: Bassreflex-Gehäuse – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• kostenloses Tool zur Berechnung von Reflex-Ports
• Lautsprecher: Loch in der Box, was nun? Das Bassreflexgehäuse, für Anfänger
• Lautsprecher: Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad, unter Grenzfrequenz und Gehäusevolumen