 |
|
 |
Auf dieser Seite nehmen wir uns bestimmten Hintergrundthemen aus den Bereichen Raum- und Elektroakustik an. Sie bildet ein Forum der Auseinandersetzung mit wichtigen Zusammenhängen und theoretischen Grundlagen. Sie finden einschlägige Veröffentlichungen, Aufsätze und Artikel die den detaillierteren, thematischen Zugang ermöglichen.
Einen thematisch weiterführenden Artikel zu unten aufgeführter Veröffentlichung (Verhalten von mehreren, monopolaren und dipolaren Schallquellen im kleinen Abhörraum) können Sie als PDF-File herunterladen.
Charalampos Ferekidis & Uwe Kempe, w vier, Lemgo, Germany
Raummodenanregung durch dipolare und monopolare, tieffrequente Schallquellen
erschienen auf der 100. AES-Convention, Mai 1996 in Kopenhagen
Nachfolgend finden Sie eine deutsche Zusammenfassung dieser Veröffentlichung mit den wesentlichen Inhalten. Eine Ausgabe des kompletten, englischen Artikels senden wir Ihnen gerne auf Wunsch per Post ( info@wvier.de ) zu.
Inhalt
In kleinen Räumen hat die Kopplung von tieffrequenter Schallquelle und Raummoden einen entscheidenden Einfluß auf die resultierende Übertragungscharakteristik. In der Praxis wird die Plazierung der Schallquellen üblicherweise von anderen, als den akustischen Gesichtspunkten bestimmt. Es wird gezeigt, daß zusätzliche Freiheit und Flexibilität in der Plazierung und eine deutlich verbesserte Modenanregung durch den Einsatz von tieffrequenten Dipolschallquellen möglich sind. Vergleichende Messungen der Modenanregung von dipolaren und monopolaren Schallquellen verdeutlichen die akustischen Unterschiede sowie die Vorteile einer dipolaren Anregung.
In der Vergangenheit haben sich viele Veröffentlichungen mit der Abstrahlung tiefer Frequenzen von Lautsprechern im Raum auseinander gesetzt. Eine Menge Zeit und Arbeit wurde investiert, um die Übertragungsqualität eines relativ kleinen aber überaus wichtigen Frequenzbereiches zu verbessern mit dem Ziel einer möglichst gleichmäßigen und ausgedehnten Tieffrequenzcharakteristik des Lautsprecher-Raum-Systems. In kleinen und mittleren Abhör- oder Regieräumen bestimmen zwei Eigenschaften die Interaktion von Lautsprecher-Raum und damit die Übertragungscharakteristik an den Hörpositionen. Einerseits verursacht die geringe Dichte und Verteilung der Raummoden u.U. erhebliche Pegelschwankungen sowie lange Ausschwingzeiten und andererseits wird dies überlagert von Veränderungen der abgestrahlten, tieffrequenten Schallenergie des Lautsprechers durch benachbarte Flächen. Ein Schritt nach vorne in der Verbesserung der Bedingungen bildet die Verwendung von separaten Tieftonlautsprechersystemen, sogenannten Subwoofern. Der überwiegende Teil dieser Lautsprecher arbeitet als monopolare Systeme, also Quellen, deren räumliche Schallausbreitung mehr oder weniger kugelförmig ist. Daneben existieren außerdem sogenannte dipolare und unipolare Schallquellen. Auf Letztgenannte soll an dieser Stelle nicht näher eingegangen werden. Dieser Artikel beschreibt die monopolaren und dipolaren Schallquellen unter Freifeldbedingungen und die grundlegenden akustischen Effekte im Raum, also Raummoden und Phantomschallquellen. Für diesen Zweck wurden einige Simulationen (mit dem AkAbak® Simulator) über die Interaktion von Dipolen und Monoplen mit Begrenzungsflächen durchgeführt (auf die nur im kompletten Artikel näher eingegangen wird) und die Raummodenanregung in einem kleinen Hallraum untersucht. Schließlich wurde das praktische Übertragungsverhalten von Dipolen und Monopolen in drei, sehr unterschiedlichen Hörräumen verglichen.
Theoretische Betrachtungen
Der Monopol
Betrachtet man konventionelle Geschlossene- oder Bassreflex-Lautsprechersysteme so wird erkennbar, daß die geometrischen Dimensionen klein, verglichen mit den abgestrahlten Frequenzen sind. Die Vermutung einer ungerichtet abstrahlenden Punktschallquelle liegt deshalb nahe. Die Messung und Simulation eines geschlossenen Lautsprechers mit einem 10 Zoll Treiber in einem Gehäuse mit 40x55cm Schallwand als Beispiel bestätigt dies. Die typische Frequenzcharkteristik zeigt ein 2.Ordnung Hochpass-Verhalten mit 6dB Anstieg zu höheren Frequenzen durch die Verringerung des Abstrahlraumes. Unterhalb von 200Hz weist dieser Lautsprecher ein ungerichtetes Abstrahlverhalten auf. Geschlossene und Bassreflex-Systeme können also weitgehend als ungerichtete Druckwandler bei tiefen Frequenzen angesehen werden.
Der Dipol
Ein Tieftonlautsprecher in einer flachen, offenen Schallwand kann als einfachste, praktische Version eines Tiefton-Dipoles angenommen werden. Die Messung und Simulation eines 10 Zoll Treibers in einer offenen Schallwand mit 40x55cm verdeutlicht dies. Das Frequenzverhalten zeigt das typische 6db/Oct. Absinken zu tiefen Frequenzen und im Bereich der Resonanzfrequenz des Chassis ein zusätzliches Hochpassverhalten von 12dB/Oct.. Die Abstrahlcharakteristik besitzt zwei definierte axiale Keulen in 0° und 180° Orientierung mit gleichem Pegel aber gegensätzlicher Phase getrennt durch die sogenannte Dipolachse. Wenn die Wellenlänge der abgestrahlten Frequenzen groß, verglichen mit den geometrischen Dimensionen der Schallwand einer Dipol-Quelle sind, kann sie weitgehend mit zwei, ungerichteten Punktquellen in einem Abstand D und gegensätzlicher Phase betrachtet werden. Eine solche Anordnung verhält sich im Freifeld als Schnelle-Wandler für tiefen Frequenzen.
Raumakustische Bedingungen
Raumbegrenzungsflächen
Wie bereits oft beschrieben, entstehen durch die Positionierung einer tieffrequenten Schallquelle in der Nähe einer reflektierenden Begrenzungsfläche eine Reihe von Veränderungen im Übertragungsverhalten. Diese Veränderungen unterscheiden sich je nach Charakteristik der Schallquelle. Es wurde untersucht, welchen Einfluß die Plazierung von Monopolen und Dipolen in der Nähe von einer Begrenzungsfläche besitzt. Die Ergebnisse dieser Simulationen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Monopol
- Anhebung des Schalldruckpegels für sehr tiefe Frequenzen
- Auslöschungen, verursacht durch Reflexionen bei höheren Frequenzen können nicht vermieden werden
- Die Orientierung des Monopoles vor der Begrenzungsfläche verändert nicht die Abstrahlcharakteristik
Dipol
- Einfluß auf die Anhebung des Schalldruckpegels für sehr tiefe Frequenzen durch Veränderung der Orientierung der Dipolachse. Eine maximale Anhebung liegt vor, wenn die Dipolachse parallel zur Begrenzungsfläche verläuft.
- Auslöschungen, verursacht durch Reflexionen können durch die definierte Abstrahlung vermieden werden.
- Die Orientierung vor einer reflektierenden Fläche beeinflußt die Abstrahlcharakteristik. Bei paralleler Ausrichtung der Dipolachse zur Fläche arbeitet der Dipol weitgehend als Schnellewandler. Wird die Dipolachse in eine nichtparallele Ausrichtung gebracht, fügt sich eine Druckwandlerkomponente hinzu und die Abstrahlung sehr tiefer Frequenzen verringert sich.
Ankopplung der Raummoden
Das Phänomen der "stehenden" Wellen kann beobachtet werden, wenn zwei Wellenzüge mit gleicher Wellenlänge aber unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung im gleichen Medium auftreten. In einem Hörraum entstehen die Raummoden (stehenden Wellen) wegen der vergleichbaren Dimensionen der abgestrahlten Schallwellen mit den Raumabmessungen durch die Reflexion von den Begrenzungsflächen zurück in den Raum. Die Raummoden setzen sich aus Druck und Schnellebereichen zusammen. Beobachtet man die Geschwindigkeit der Luftbewegung zeigt sich ein Minimum dort, wo der Druck am stärksten ausgeprägt ist und umgekehrt. Die Wahrnehmung der Moden wird klar, wenn wir uns erinnern, daß das menschliche Gehör druchsensitiv arbeitet. In einem quaderförmigen Raum können drei verschiedene Modenarten registriert werden. Axiale, tangentiale und schräge Moden. Axiale Moden werden durch ein Wandpaar hervorgerufen. Tangentiale Moden bilden sich zwischen zwei Wandpaaren aus, während schräge Moden durch alle drei Dimensionen, also sechs Wandflächen verursacht werden. Die Abstrahlcharakteristik von Monopolen und Dipolen wurde oben bereits beschrieben. Für die Anregung der einzelnen Raummoden lassen sich daraus folgende Sachverhalte zusammenfassen:
Monopol als Druckwandler
- Die Anregung der Raummoden durch Monopole erfolgt jeweils am stärksten im Druckmaximum. Eine geringe oder keine Anregung existiert im Druckminimum, also dem Schnellemaximum.
- Die ungerichtete Abstrahlung erzeugt eine Anregung der Moden in allen Raumdimensionen
Dipole als Schnellewandler (Gradientenwandler)
- Die Anregung der Raummoden erfolgt in den jeweiligen Druckminima, also den Schnellemaxima des Raumes am stärksten.
- Die Abstrahlcharakteritik bewirkt eine Anregung der jeweiligen Moden anhängig von der Orientierung des Dipoles. Eine maximale Anregung entsteht bei der senkrechten (90°) Ausrichtung der Dipolachse zur jeweiligen Modenausbreitungsrichtung.
- Der Grad der Modenanregung wird durch den Winkel zwischen Dipolachse und Modenausbreitungsrichtung bestimmt oder kontrolliert.
Meßtechnische Erfassung
Laborversuche
Die Modenanregung von Monopolen und Dipolen wird durch eine Meßreihe in einem kleinen Hallraum vor allem für die axialen Grundmoden erfaßt und nachfolgend in Auszügen dargestellt (komplett im Artikel). Die näher betrachteten Raummoden sind:
- Grundmode der Raumlänge (100) bei ca. 52Hz
- Grundmode der Raumhöhe (001) bei ca. 55Hz
- Grundmode der Raumbreite (010) bei ca. 59 Hz
Die Frequenzcharakteristik der verwendeten Monopole und Dipole sind in der Abbildung1 dargestellt. Wie erwartet, erzeugt der Monopol im Druckmaximum der jeweiligen Raummoden seine stärkste und im Druckminimum seine geringste Anregung (Abbildung2). Die Anregung ist dabei nicht Orientierungsabhängig. Ganz im Gegenteil dazu, erzeugt der Dipol seine maximale Anregung im Schnellemaximum (Druckminimum) und seine minimale Anregung im Schnelleminimum (Druckmaximum) der jeweiligen Moden (Abbildung3). Die Stärke der Modenanregung ist an den jeweiligen Standorten abhängig von der Orientierung der Dipolachse zur Ausbreitungsrichtung der Mode (Abbildung4).
Praktischer Anwendungstest
Aufgrund der ermittelten Ergebnisse der Untersuchung wurde ein Prototyp eines Dipolsubwoofers erstellt und dessen praktische Anwendung in realen Hörräumen mit einem Monopol verglichen. Der Prototyp besteht aus zwei 12 Zoll Treibern in einer Schallwand mit den Abmessungen von 60x80cm. Zur Ansteuerung des Dipoles wurde ein elektronischer Controller aufgebaut, der eine variable Entzerrung der 6db/Oct. Flanke ermöglicht und eine Laufzeitkorrektur zum Ausgleich der Positionsunterschiede zu den Satellitensystemen zuläßt. Anhand der drei folgenden Beispielräumen werden die aufgenommenen Ergebnisse beschrieben:
Raum 1
- Dieser Raum besteht eigentlich aus zwei Räumen die rechtwinklig zueinander und mit einem großen Mauerdurchbruch verbunden, angeordnet sind. Die Bedämpfung der Raumes, gerade bei tiefen Frequenzen, ist gering. In Abbildung5a ist die Übertragungsfunktion, gemessen an der Hörposition, eines Monopoles mit "normaler" Aufstellung dargestellt. Es sind die sehr stark angeregten Moden bei ca. 42 und 85Hz deutlich erkennbar, die auch durch eine veränderte Aufstellung nicht gravierend verbessert werden konnten. Die geringe Bandbreite der Moden deutet außerdem auf lange Ausschwingzeiten hin. Im Gegensatz dazu zeigt Abbildung5b die Übertragungfunktion des Dipolprototypen an gleicher Position mit justierter Orientierung. Zwar sind hier die beiden, bereits beschriebenen Moden ebenso stark angeregt wie beim Monopol, doch daneben existiert eine zusätzliche Anregung weiterer Moden. Es stellt sich insgesamt eine erheblich gleichmäßigere Anregungssituation ein.
Raum 2
- Dieser Raum besitzt einen annähernd dreieckigen Grundriß mit ca. 43m² Fläche und einer bereits leicht vorherrschenden Bedämpfung der Raummoden. Die Modendichte und Anregung ist mit dem normal positionierten Monopol (Abbildung6a) deutlich höher als bei Raum1. Dennoch zeigt auch hier die Anregung mit dem ausgerichteten Dipol (Abbildung6b) am gleichen Ort eine verbesserte Anregungssituation.
Raum 3
- Raum 3 zeichnet sich bei recht großer Grundfläche (ca. 50m²) durch eine starke Bedämpfung der Raummoden aus. Diese ist deutlich anhand der großen Modenbandbreite erkennbar. Die Anregung mit einem Monopol an normaler Position (Abbildung 7a) zeigt zwar eine hohe Glättung, jedoch breitbandige Pegelschwankungen. Dem gegenüber besitzt die Übertragunsfunktion des Dipoles am gleichen Standort, auch in diesem stark bedämpften Raum, die homogenere Charakteristik (Abbildung7b). Die Entzerrung der dipoltypischen Flanke (6db/Oct.) wurde hier zu ca. 90% vorgenommen.
Zusammenfassung
In diesem Artikel wurden die Unterschiede zwischen monopolaren und dipolaren, tieffrequenten Schallquellen bezüglich der Anregung in kleinen und mittleren Räumen beschrieben. Durch die Simulation und meßtechnische Untersuchung der beiden Schallquellenarten wurden die jeweiligen Eigenschaften klar deutlich gemacht. Dabei wurde erkennbar, daß dipolare, tieffrequente Schallquellen einige Vorteile bei der Anregung eines kleinen bis mittleren Raumes besitzen. Diese können wie folgt zusammengefaßt werden.
- Eine Dipolquelle eröffnet die Möglichkeit zur Kontrolle der Anregung von Raummoden nur durch Veränderung der Orientierung
- Der Grad der Kopplung wird durch den Winkel zwischen Dipolachse und Raummodenausbreitungsrichtung bestimmt
- In vielen "üblichen" Aufstellungsvarianten ermöglicht der Dipol eine Anregung sehr vieler Raummoden und damit eine gleichmäßigere Übertragungscharakteritik
- Auslöschungen durch Reflexionen von Begrenzungsflächen können durch die definierte Abstrahlung vermieden werden
- Eine Plazierung nahe einer, oder innerhalb einer Raumecke ist ohne zu erwartende Beeinträchtigungen der Übertragungseigenschaften möglich, da sich der Wandlercharakter (Druckwandleranteile) der Dipoles verändert.
- Eine dipolare Schallquelle bietet eine deutlich höhere Flexibilität bei der Anwendung und Positionierung im Raum ohne nachteilige Auswirkungen auf die Übertragungseigenschaften, verglichen mit dem Monopol.
Aufgrund der praktischen Erfahrungen mit den positiven Eigenschaften von Tieftondipolen ergeben sich eine Reihe von weiteren Themenbereichen, die eine nähere Untersuchung in der Zukunft sinnvoll erscheinen lassen. Dies sind beispielsweise die aufgefallenen Merkmale der verbesserten Impulswiedergabe im Raum, der erheblichen Vergrößerung der Übertragungsbandbreite und deren Wahrnehmung sowie die Kombination mit weiteren Schallquellen.