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Integrierter Subwoofer - richi44 - 17.09.2009
Im Beitrag über Aktivweichen-Filter ( http://www.ebmule.de/showthread.php?tid=1343 ) habe ich am Schluss auf die Möglichkeit hingewiesen, Subwoofer in die Aktivbox mit einzubauen.
Zum Thema Aktivlautsprecher bin ich immer noch eine Erklärung schuldig. Und zwar habe ich da eine Variante angetönt, welche mit integrierten Subwoofern arbeitet. Und um Platz zu sparen habe ich das Gehäuse viel zu klein gewählt. Dies hätte eine deutliche Resonanzüberhöhung und einen starken Bassabfall zur Folge, wäre also eigentlich unbrauchbar. Nun habe ich da aber von einem Trick gesprochen, wie man das Problem lösen kann.
Generell ist es ja so, dass Lautsprecher und Gehäuse zusammen eine Einheit bilden. Und die ideale Abstimmung ist dann gegeben, wenn die Systemgüte Qts 0,7 wird. Nimmt man ein kleineres Gehäuse, steigt diese Güte an, was zu besagter Resonanzüberhöhung führt und ausserdem durch die mangelnde Dämpfung ein verzögertes Einschwingen, ein deutliches Nachschwingen und einen starken Bassabfall zur Folge hat. Jetzt könnte man das Gehäuse mit Dämmmaterial bedämpfen. Dies ist aber nur bis zu einer gewissen Grenze möglich. Also müssen andere Wege zur Bedämpfung beschritten werden.
So ein möglicher Weg ist die elektrische Bedämpfung. Hier mal ein Beispiel.
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Das oberste Bild zeigt einen beliebigen Verstärker mit einer angenommenen Verstärkung von 100. Diese könnte beliebig höher (nur nicht kleiner) sein. Durch die beiden gleich grossen Widerstände in der Signalzuleitung und der Gegenkopplung und einer angenommenen Eingangsspannung von 1V entsteht am Ausgang ebenfalls eine Spannung von 1V, aber mit gedrehter Phase. Dies nehmen wir einfach mal als gegeben hin.
Da es keine Last am Verstärkerausgang gibt, kann die Spannung am Verstärkerausgang nicht zusammenbrechen. Der 0,1 Ohm Widerstand, den ich noch als Ri bezeichnet habe, spielt folglich keine Rolle, da ja eine Last fehlt.
Betrachten wir das zweite Bild, so haben wir jetzt eine Last. Und nehmen wir einfach mal an, wir hätten einen beliebigen Ri des Verstärkers. Und nehmen wir weiter an, dass die Gegenkopplung diesen Ri unendlich klein hält. Dann bekommen wir am Verstärkerausgang wieder die 1V.
Aber wir haben in Serie mit dem Lautsprecher wieder 0,1 Ohm Und wenn der Ausgang 1V ist und der Lautsprecher 8 Ohm hat, so fallen an diesem 0,1 Ohm Widerstand rund 12mV (0,012V) ab. Wenn also der Ri des Verstärkers auf Null gebracht ist, so bleibt unser Widerstand übrig und damit fehlen die 12mV am Lautsprecher. Er hat nur noch 988mV.
Im dritten Bild habe ich nun diese Spannung von 12mV über ein Trimmpot dem Noninvers-Eingang zugeführt. Das bedeutet, dass diese Spannung am Ausgang wieder erscheint. Ob es nun die besagten 12mV sind oder mehr oder weniger hängt von der Trimmereinstellung ab. Ich habe mal die 12mV angenommen und damit entstehen am Verstärker 1021mV = 1,012V. Und damit haben wir am Lautsprecher die ursprünglich gewünschten 1V. Wir haben also mal diesen zusätzlichen Widerstand kompensiert. Das bedeutet, dass der Verstärker einen negativen Ri von 0,1 Ohm hat, weil er damit die 0,1 Ohm des Zusatzwiderstandes ausgleicht.
Jetzt können wir uns vorstellen, dass ein grosser Elektromotor eine spannungsabhängigen Drehzahl hat. Wenn wir den also an die Stromleitung anschliessen, dreht der Motor mit seiner Nenndrehzahl. Und wenn er wirklich kräftig ist (10'000 mal zu stark für unsere Anforderungen), so treibt er eine beliebige Maschine konstant an, ob die nun etwas klemmt oder frisch geölt ist. Dieser Motor hat eigentlich fast keinen Innenwiderstand und daher spielt die Belastung eine nicht messbare Rolle.
Haben wir einen kleineren Motor, so spielt die Belastung eine Rolle. Aber wir können her gehen und bei Last die Motorspannung erhöhen, was die Drehzahl erhöht. Machen wir das im richtigen Verhältnis, so bekommen wir wieder eine konstante Drehzahl ob mit oder ohne Last.
Jetzt ist ein Lautsprecher auch nichts anderes als ein Motor. Und ob die Maschine geölt ist oder klemmt entspricht der Belastung durch das kleine Gehäuse. Wenn wir also die Spannung dieser Belastung entsprechend anpassen, bekommen wir etwas, das der Gehäusewirkung entgegen steht.
Ein Mass für die Belastung ist der Strom beim Motor und beim Lautsprecher. Und ich habe gesagt, dass wir beim viel zu grossen Motor fast keinen Innenwiderstand haben. Beim Lautsprecher aber haben wir einen verhältnismässig grossen Innenwiderstand. Wenn wir also die Spannungsregelung automatisieren und stark genug machen, können wir diesen Ri des Lautsprechers ausgleichen.
Und weil ja der Verstärker den 0,1 Ohm ausgleicht, kann er bei entsprechender Einstellung auch die 8 Ohm des Lautsprechers mit kompensieren. Wenn wir also diese Einstellung finden, können wir dem Lautsprecher seinen positiven Ri durch einen zusätzliche negativen Ri des Verstärkers „abgewöhnen“. Die Folge ist eine 100% ige Dämpfung und somit keine Resonanzüberhöhung durch das Gehäuse. Alle negativen Einflüsse werden so ausgeschaltet.
In der Praxis bedeutet dies, dass wir in die Lautsprecher-Masseleitung einen 0,1 Ohm Widerstand einbauen müssen. Dann müssen wir dieses Signal, das da entsteht, phasenrichtig und einstellbar zur Eingangsspannung dazu mischen (oder von der Gegenlkopplungsspannung abzählen). Das Problem ist (das kann man am BassCAD simulieren), dass die Kompensation nur den Drahtwiderstand des Lautsprechers kompensieren darf. Wenn also an einem Chassis 3 Ohm als Drahtwiderstand angegeben sind, darf die Kompensation maximal etwa minus 2,8 Ohm sein. Wäre es mehr, würde die Geschichte zu schwingen beginnen. Ist es deutlich weniger so ist die Gehäusedämpfung nicht maxial, was man an einem krummen Frequenzgang erkennt. Bei optimaler Gehäusedämpfung (nahe am Wert des Drahtwiderstandes) verläuft der Bass in der Simu nämlich mit einem konstanten Pegelabfall von 6dB/Oktave und dieser Abfall lässt sich mit einem einfachen RC-Glied am Verstärkereingang (noch vor der Zumischung von 0,1 Ohm-Signal und dem Gegenkopplungssignal) ausgleichen. In diesem Bereich würde man auch die Weiche einbauen, welche der Subwoofer-Endstufe nur die entsprechenden Sub-Frequenzen zuführt.
Ich will hier nicht weiter ins Detail eingehen, denn diese ganze Geschichte ist nur für jene gedacht, welche schon einiges Fachwissen besitzen. Wer sich noch nie mit Elektronikbastelei und –Entwicklung beschäftigt hat wäre damit eindeutig überfordert.