@@@F_Titel Voigt tapered pipe @@@F_Text @@@F_Untertitel Ein ganz besonderes Baßsystem @@@F_Text @@@F_Textfett E. Fikier @@@F_Text @@@F_Einleitung In der Wunderwelt der HiFi-Lautsprecher gibt es eine überschaubare Anzahl von Gehäusebauprinzipien, nämlich deren fünf: die geschlossene Box, die Baßreflexbox, das Horn, die Transmissionline-Box und die offene Röhre. Die Voigt Tapered Pipe (VTP) ist ein offenes Röhrensystem, das die Vorteile des Horns mit denen der Transmissionline verbindet. In diesem Artikel wollen wir den akustischen Besonderheiten der musikalischen Röhre genauer auf den Zahn fühlen. @@@F_Text Bei der Wiedergabe tiefer Töne heben sich die an Vorder- und Rückseite einer Lautsprechermembran produzierten Schallwellen gegenseitig auf. Um das zu verhindern, müssen die Vorder- und Rückseite eines Chassis also irgendwie voneinander getrennt werden. Eine Möglichkeit, dies zu realisieren, ist der Einbau des Chassis in eine rundum geschlossene Kiste. Der Nachteil dieser Variante ist die durch den Einbau höher werdende Resonanzfrequenz des Systems. Beim Einbau in ein Baßreflexgehäuse sorgt ein abgestimmter Baßreflextunnel für die Abstimmung auf eine tiefere Frequenz, man nennt das Ganze auch Helmholtz- Resonator. Dem Vorteil der im Vergleich zur geschlossenen Box tieferen unteren Grenzfrequenz steht der Nachteil des schlechteren Impulsverhaltens gegenüber. @@@F_Textfett Akustischer Transformator @@@F_Text Hornsysteme haben zu allen Zeiten eine fanatische Anhängerschar vorweisen können. Hornliebhaber rühmen den hohen Wirkungsgrad, die hohe Dynamik und die niedrigen Verzerrungswerte "ihres" Horns. Bekannte Hornsysteme gehen zurück auf Konstruktionen von Webster, Wilson, Klipsch und Lowther. Die Hörner haben meist einen exponentiellen Verlauf. Die Oberfläche wird vom Hals zum Mundteil stets größer. Schon geringer Membranhub des im Halsteil montierten Chassis erzeugt hier relativ viel Druck. Am Hornmund entsteht daraus ein relativ kleiner Hub mit großem (Schall-) Druck. Durch diese verbesserte akustische Ankopplung des Raumvolumens an die geringe, von der Lautsprechermembran bewegte Luftmenge lassen sich Wirkungsgrade von 50% erzielen. Da der eingebaute Lautsprecher nur einen geringen Membranhub ausführen muß, bleiben die Verzerrungen ebenfalls klein. Ein Hornsystem zur Wiedergabe tiefer Töne hat leicht eine Mundfläche von etlichen Quadratmetern. Die üblichen Hornabmessungen variieren zwischen groß und gigantisch. Um die Abmessungen auf zimmertaugliche Proportionen zu stutzen, werden Hörner üblicherweise einfach oder mehrfach gefaltet. @@@F_Textfett Röhrenresonator @@@F_Text Wie bei den Hörnern haben auch die Transmissionlinesysteme ihre glühenden Verehrer. Diese Liebhaber heben die besonderen Qualitäten wie Transparenz und unverfärbte, tief herab reichende Tieftonwiedergabe hervor. Bekannte TL-Entwürfe sind die in Selbstbaukreisen bekannten Rogers Monitor und S.O.T.A. (State of the Art Loudspeaker). Eine Transmissionline besteht in ihrer einfachsten Form aus einer einseitig verschlossenen Röhre. Die Frequenz, bei der die Luft in dieser Röhre mitschwingt, ist von der Röhrenlänge abhängig. Die Resonanzfrequenz fs ist mit der Formel fs = c/(l x 4) schnell berechnet. Hier steht c für die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in Luft (344 m/s) und l für die Röhrenlänge in m. Eine Röhre von 2 m Länge hat demzufolge eine Resonanzfrequenz fs von 344/(2 x 4) = 43 Hz. Zur Wiedergabe tiefer Töne muß die Röhre also ziemlich lang sein. Röhrenlängen von 2 und 3 Meter sind durchaus gebräuchlich. Da solche Röhren auch nicht mehr so gut in den durchschnittlichen Wohnraum passen, werden sie ein- oder mehrmals gefaltet. @@@F_Textfett Welligkeiten und Widrigkeiten @@@F_Text Neben der gewünschten Resonanzfrequenz der Röhre - von beispielsweise 40 Hz - schwingt die Luft im Röhreninneren auch bei Anregung mit 80 Hz, 120 Hz, 160 Hz, 200 Hz und 240 Hz......und so weiter. Diese Obertöne oder Harmonischen sorgen für heftige Einbrüche in der Frequenzcharakteristik des ganzen Systems. Das Füllen der Röhre mit Dämpfungsmaterial, etwa langhaariger Schafwolle, sorgt für die weitgehende Unterdrückung der Harmonischen und verbessert den Frequenzgang wieder. Durch das Dämpfungsmaterial im TL-Kanal "sieht" das Lautsprecherchassis an seiner Rückseite einen großen akustischen Widerstand. Dieser akustische Widerstand bremst den Impedanzanstieg des Lautsprechers bei der Resonanzfrequenz. Die korrekte Abstimmung eines TL-Systems kontrolliert man daher auch durch die Messung des Impedanzverlaufs: Wenn bei Resonanz noch ein starker Impedanzanstieg auftritt, muß mehr Dämpfungsmaterial in die Röhre. Als Folge des großen akustischen Widerstands hinter dem Chassis nimmt die dynamische Masse des Systems zu. Das verursacht eine niedrigere Resonanzfrequenz. Außerdem entsteht durch Reibung zwischen der Luft im Röhreninneren und dem Dämpfungsmaterial ein isothermischer Effekt. Das heißt, die Schwingungsenergie der Schallwellen wird in Wärme umgewandelt. Abhängig von der Rohdichte (und der Packungsdichte) des Dämpfungsmaterials nimmt die Schallgeschwindigkeit von 344 m/s auf Werte zwischen 280 und 320 m/s ab. Die geringere Schallausbreitungsgeschwindigkeit erfordert bei gegebener Resonanzfrequenz kürzere Rohrlängen. @@@F_Textfett Druckvariationen @@@F_Text Ein Wiedergabesystem mit offener Röhre besteht aus einer Röhre mit rundem oder rechteckigem Querschnitt, wobei eine Seite durch das Lautsprecherchassis verschlossen ist. Neben der Eigenresonanz produziert die Röhre analog zur TL auch die zugehörigen Oberwellen. Ein bekannteres Beispiel für ein offenes Röhrensystem ist die Pied-Pipe von der Firma TSN aus Haarlem. Da beim Röhrensystem die Luft relativ ungehindert in die und aus der Röhre strömen kann, ist die Größe der Druckschwankungen im Vergleich zur geschlossenen Box gering. Das unerwünschte Mitschwingen der Gehäusewände bleibt fast immer vernachlässigbar klein. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß sich durch die geringen Druckdifferenzen auch kaum stehende Wellen im Gehäuseinneren bilden. Im Gegensatz zur TL wird in die offene Röhre kein Dämpfungsmaterial gefüllt, dadurch können sich Oberwellen mitunter durch Klangverfärbungen bemerkbar machen. Das fehlende Dämpfungsmaterial fällt natürlich auch zur Dämpfung der Impedanzspitze bei Resonanz des Systems aus. Da somit die mechanische Bremse fehlt, muß die elektrische Bremse des Verstärkerausgangs für das Abbremsen sorgen. Diese Art von offenen Röhrensystemen ist daher etwas kritisch hinsichtlich des Dämpfungsfaktors am Verstärkerausgang. @@@F_Textfett Voigt Tapered Pipe @@@F_Text Eine Variante der Thematik "Offene Röhrensysteme" ist die konisch verlaufende (tapered) Röhre, wie sie in Bild 1 zu sehen ist. Die theoretischen Überlegungen stammen von Paul Voigt, der sie zu Beginn der 30er Jahre entwickelt hat. Dieses System besteht aus einer konischen Röhre, in die bei etwa einem Drittel der Länge das Lautsprecherchassis eingebaut ist. Die Röhrenresonanz ist ebenso wie bei der Transmissionline von der Länge abhängig. Um die VTP kompakt zu halten, wird sie meistens als gefaltete Röhre gebaut. @@@F_Klickfont @@@Klickbild 11.EPS Bild 1. Eine konische Röhre mit einer Länge von 180 cm. Der Raum hinter dem @@@Klickbild 11.EPS Chassis kann mit Sand gefüllt werden, der hohle Fuß bietet ausreichend Platz für @@@Klickbild 11.EPS eine Frequenzweiche. @@@F_Text Genau wie ein Horn wirkt auch die Röhre wegen ihrer konischen Form als akustischer Transformator. Ein kleiner Membranhub an der dünneren Seite bewirkt eine relativ große Druckerhöhung. An der offenen dickeren Seite ist die Luftbewegung groß und der Druck gering. Der Wirkungsgrad bei tiefen Frequenzen nimmt durch die akustische Transformation deutlich zu. Der Einbau des Lautsprechers in etwa 1/3 der Höhe anstelle der Bodenposition vergrößert die Resonanz auf einen breiten Resonanzbereich. Dadurch ist die Frequenzcharakteristik wesentlich flacher als bei einer Transmissionlinebox. Die konische Form unterdrückt stehende Wellen im Gehäuseinneren. Eine VTP wird an den Wänden und im Bereich hinter dem Lautsprecher mit Dämpfungsmaterial bestückt. Durch die fehlende mechanische Bedämpfung des Innenraums ist zum Betrieb ein Verstärker mit hohem Dämpfungsfaktor beziehungsweise geringem Innenwiderstand ein Muß. @@@F_Textfett Die Dämpfung der VTP @@@F_Text Genau wie bei der TL resultiert die Füllung mit langfaseriger Naturschafwolle in einer Zunahme der dynamischen Masse. Die Folge ist eine Verringerung der Resonanzfrequenz. Außerdem sorgt die Wolle für genügende Dämpfung bei der Resonanzfrequenz. Bild 2 zeigt die Frequenzmessung eines WP 171 NP von Seas, der in eine VTP mit 180 cm Länge (nach Bild 1) eingebaut ist. Die Kurve A steht für den gemessenen Schalldruckverlauf am Woofer. Es ist deutlich zu sehen, daß der Schalldruck unterhalb 150 Hz mit 6 dB/Oktave abnimmt. Die Kurve B zeigt den Schalldruckverlauf an der Röhrenöffnung. Das Ausgangssignal ist auf einen breiten Bereich verteilt. Kurve C ist die Addition beider Einzelkurven. Der -3-dB-Punkt liegt bei etwa 30 Hz, was für einen 17-cm-Baß ein hervorragendes Ergebnis darstellt. @@@F_Klickfont @@@Klickbild 12.EPS Bild 2. Die Frequenzmessung eines Seas WP 171 NP, der in die VTP nach Bild 1 @@@Klickbild 12.EPS eingebaut ist. Die Kurve A zeigt den Schalldruckverlauf am Woofer, Kurve B zeigt @@@Klickbild 12.EPS den Schalldruckverlauf an der Röhrenöffnung. Kurve C ist die Addition beider @@@Klickbild 12.EPS Einzelkurven. @@@F_Text D...
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