Kyrill - ER4 mal anders.

Hallöchen,

Die Überlegungen zu Kyrill begannen nach den enttäuschenden Erfahrungen bei der Entwicklung einer 3-Wege-Box.
Die größten Probleme machte damals der Mitteltöner, der durch sein sehr gutes Rundstrahlverhalten sehr sensibel auf seine Einbauumgebungen reagierte (schon das nahe Waveguide des Hochtöners machte deutlichen Ärger) und sich selbst aber auch eine deutliche Problemstelle mitten im Übertragungsbereich leistet, die im Neuzustand bzw. bei Messungen in der Hobby HiFi (noch) nicht erkennbar war.
Auch erste Weichenversuche ermutigten mich nicht, die Sache weiterzuverfolgen. Es klang alles ziemlich inhomogen und langweilig. Als ein Tieftöner dann noch durch zartes, aber ständiges Beklopfen meines Sohnes seinen Dienst quittierte, stand für mich fest, dass ein neues Projekt in Form einer 2-Wege-Box her musste.

Der Tieftöner sollte dabei

- einiges an Pegel und Wirkungsgrad liefern können
- dabei noch einen sauberen Mittelton (nicht zu hohe Mms bzw. Resonanzneigung) liefern
- nicht zu tief kommen (in meinem relativ kleinen Wohnzimmer sorgen Frequenzen unter 50Hz für lustiges Stehwellendröhnen)
- mit relativ wenig Gehäusevolumen auskommen (geringer Resonanzneigung und Gefahr von Stehwellen bzw. Verschieben dieser in höhere Regionen, wo sie leichter absorbierbar sind)
- im oberen Mittelton schon kräftig bündeln, um die oben geschilderten Probleme zu umschiffen und – vor allem – den Diffusschallanteil zu minimieren
- wohnraumfreundliche Abmessungen der Schallwand ermöglichen

Diese teils widersprüchlichen Anforderungen bringt nach meiner Einschätzung ein 20er-Chassis am besten unter einen Hut. Die positiven klanglichen Erfahrungen, die ich in letzter Zeit mit PA-Chassis gemacht habe, sowie die für die gestellten Anforderungen benötigten TSP ließen mich also im Beschallungssektor nach einem passenden Treiber suchen. Leider ist die Anzahl getesteter PA-Chassis in den bekannten Publikationen sehr gering bzw. stark vom Interesse der Anzeigenkunden geprägt. Auch die Erfahrungsberichte aus dem PA-Forum brachten mich nur bedingt weiter, legte man dort doch andere Maßstäbe bzw. Schwerpunkte bei der Beurteilung der Chassis an.
Also habe ich mich praktisch ausschließlich an den Datenblättern der „amtlichen“ Hersteller orientiert und meine Wahl fiel schließlich auf den 18Sound 8NMB420.
Das relativ neue Chassis ist für den Einsatz im Bassmitteltonbereich in kompakten Monitoren optimiert. Ausstattungsdetails wie hinterlüftete Zentriespinne, Demodulationsringe, Druckgusskorb, beidseitig bewickelter Schwingspulenträger, 50mm-Schwingspule, beschichtete Papiermembran, Neodym-Magnet, ausreichenden Xmax, passende TSP (fs um 50Hz, Qts um 0,3, Mms um 20g) und ein lineare Frequenzschrieb auf der Herstellerhomepage ließen mich diese Entscheidung treffen.
Erste eigene Messungen im Januar ( http://www.hifi-forum.de/viewthread-104-9228.html ) enttäuschten mich nicht. Das Ding wird eingesetzt!
Das Holz für das erste Gehäuse (dreieckige Standbox mit Passivmembran) wurde dann auch am 18.Januar 2007 geordert. Als ich nachmittags im Baumarkt beim Holzzuschnitt stand, wackelte das Wellblech des Daches schon bedenklich, zum Abend wütete dann der Sturm Kyrill über Deutschland. Da die (positiven) Eigenschaften eines Sturmes auch einem Lautsprecher gut zu Gesicht stehen und mir außerdem der Wortlaut gefiel (Pate war passenderweise eine Elektroingenieur aus Neuenhagen ) stand der Name der Box somit fest.
Das erste Gehäuse wurde aus diversen Gründen (der Längsresonanz war mit Dämpfungsmaterial nicht beizukommen, die Passivmembran zeigte zu große Verluste, die dreieckige Gehäuseform brachte kaum Vorteile im Resonanzverhalten, sowie optische Gründe) kurz vor Fertigstellung verworfen und ich entschloss mich ein zweites Gehäuse in Kompaktboxenform zu bauen. Ich wählte ein Volumen von 19 Liter und eine Abstimmfrequenz zwischen 50Hz und 55Hz. Mit den von mir gemessenen TSP (fs=50Hz, Qts=0,33, Vas=30Liter) simuliert sich das wie folgt:



Als Hochtöner gesetzt war der ER4. Mit diesem nicht eben preiswerten und durch unzählige Udo-Boxen bekannten Chassis habe ich in vergangenen Projekten sehr gute Erfahrungen gemacht. Er bezieht einen Teil seiner Faszination aus dem exotischen AMT-Wandlerprinzip und klingt auch etwas „anders“ als man es von typischen Kalotten gewohnt ist.
Komischerweise lassen sich diese Klangunterschiede nur schwer durch messtechnische Eigenschaften erklären. Der wesentliche Unterschied ist die etwas stärker vertikale Bündlung durch die ca. 5cm lange Membran und das pegelabhängige Klirrverhalten, was aber nach meinem Erfahrungen und Einschätzungen die Klangunterschiede nicht vollständig erklären kann.
Ein entscheidender Punkt ist aber, dass sich der ER4 prinzipbedingt besser an ein Waveguide oder Horn anpassen lässt als eine klassische Kalotte.

Das Horn bietet mehrere bekannte Vorteile:

- das Abstrahlverhalten wird durch die Bündelung des Horns an das des Tieftöner angepasst und somit wird eine Verfärbung des Diffusschalls durch eine etwaige Sprungstelle im Übernahmebereich verhindert
- der Anteil des Diffuschalls im Allgemeinen wird reduziert (was gerade in halliger Raumakustik vorteilhaft ist)
- man erreicht eine mechanische Laufzeitkorrektur, das Schallzentrum des Hochtöners wandert nach hinten auf die Höhe des Tieftöner
- der vom Tieftöner geforderten Wirkungsgrad von mindestens 88db bis 90dB im unteren Hochton wird durch die Schalldruckverstärkung des Horns erreicht und gleichzeitig der Klirr reduziert

Dieser Schub im Wirkungsgrad wird benötigt, da das vom Udo bekannte Quetschvolumen hinter dem ER4 (welches dafür sorgt, dass der zu tiefen Frequenzen abfallende Frequenzgang im Präsenzbereich sowie die untere Grenzfrequenz hochgedrückt wird) bei mir nicht zum Einsatz kommt. Dafür gewinne ich aber einiges an Breitbandigkeit, die ich ggf. für eine tiefere Trennung nutzen kann, die mir aber auch die Filterauslegung bei höheren Trennfrequenzen erleichtert.
Des Weiteren verbietet sich das Quetschvolumen für meine Anwendungen, da es den Frequenzgang in Verbindung mit der Schalldruckverstärkung des Horns nur unschön verbiegt und eine aufwendigere Weiche zur Folge hat. Hinzu kommt noch, dass es im unteren Übertragungsbereich bei meinen Messungen marginal schlechter ausschwang und ich es zumindest aus subjektiver Sicht erstrebenswert finde, den ER4 nach hinten frei „atmen“ zu lassen.
Erste Messungen ergaben ab 500Hz (!) vollen Pegel: In diesem Bereich schwingt der ER4 aufgrund seiner dort liegenden schwach bedämpften Resonanzfrequenz aber sehr verzögert aus, so dass Trennungen erst ab ca. 1500Hz ratsam erscheinen (wenn es denn der Klirr zulässt).
Schon bei der 3-Wege-Box habe ich mit selbstgebauten Schallführungen am ER4 experimentiert und habe ihn als genügsamen Partner erlebt. Damals berichte Bolandi davon, dass die „Stege“ vor der Membran ähnlich einer Druckkammer funktionieren, eine einigermaßen ebene Welle rausschmeißen und somit die bekannten Anpassungsprobleme von Kalotten, wenn überhaupt, nur in stark abgemilderter Form auftreten.
Bei meinen Versuchen haben sich erst bei Steigungswinkel >45° am Hornhals kleine Problemstellen gebildet. Diese kommen aber auch nur dadurch zustande, dass das Horn etwas verspätet ansetzt und eine Sprungstelle zwischen Schallaustritt und Hornanfang entsteht, die Phantomschallquellen und die damit verbundenen Welligkeiten im Superhochton (Einbruch auf Achse, Überhöhung unter Winkel) entstehen lassen.
Ich habe per Versuchsreihe mit angefasten Brettern den Punkt, wo das Horn beim ER4 ansetzen muss, empirisch ermittelt (25,5cm). Setzt das Horn früher an (also enger) gibt es Pegelverluste im Superhochton, macht es später auf, wird der Einbruch um 13kHz immer größer und tiefer.
Des weiteren habe ich verschiedene Verläufe getestet und folgende - nicht unbedingt neue - Erkenntnisse bekommen:

- unstetige Verläufe sind zu vermeiden, die Bündlung wird ungleichmäßig
- stetige Verläufe - angelehnt an die bekannten Waveguides - sind zu bevorzugen, d.h. steil anfangend und nach außen flach auslaufend (oder umgekehrt), bestenfalls ohne Knicke und Sprungstellen
- die Öffnungsfläche bestimmt die untere Einsatzfrequenz und sollte in etwa dem des verwendeten Tieftöners gleichen, im Zweifel etwas größer- die Tiefe des Waveguides bzw. die Steilheit des Verlaufs bestimmen den Grad der Bündlung und der Wirkungsgradsteigung.

Ich persönlich halte es für erstrebenswert den Tiefenversatz durch das Horn an das Schallzentrum des Tieftöners anzupassen (im Zweifel lieber etwas mehr um die typischerweise längeren Laufzeiten des Tiefpasses zu kompensieren). Dadurch hat man gute Voraussetzungen geschaffen eine saubere Sprungantwort, niedrige Phasenverzerrungen und auch unter Winkel konstant bleibende Phasenlage bei der Übergangsfrequenz zu erhalten. Der letzte Punkt könnte mit ein Grund sein, wieso sich viele „Goldöhrchen“ um eine mechanische Laufzeitkorrektur bemühen (und ihr eine verbesserte Räumlichkeit zuschreiben), obwohl wissenschaftliche und praktische Untersuchungen „gewöhnlichen“ Anordnungen Phasenverzerrungen unterhalb der Hörschwelle bescheinigen und somit eigentlich keine Unterschiede hörbar sein können.

Da ich keine Lust hatte mir eine Horn aus Holz zu zimmern, habe ich mich einfach nach PA-Hörnern umgeschaut, die durch Kürzung eine Halsfläche ähnlich der Schallaustrittsfläche des ER4 versprachen. Drei verschieden Hörner habe ich geordert, per Säge gekürzt und mit Hilfe eines im Schraubstock verkehrt herum eingespannten Bandschleifer glatt geschliffen (hier am Beispiel des RCF):



Die Messungen ergaben dann beim Limmer 021 eine mangelnde Anpassung zwischen Horn und Treiber und beim P.Audio PH240 ein nicht zufrieden stellendes Bündlungsverhalten. Das Rennen machte schließlich das H100 von RCF, das direkt vor dem Flansch abgesägt wurde.
Leider quittierte der ER4 den sehr steilen Hornhals (ca. 80°) mit deutlich erhöhtem Klirr (vermutlich gibt die Membran aufgrund der engen Schallführung und den erhöhten Druckverhältnissen nach).



Also habe ich den Hornhals auf verschiedene Längen gekürzt und den Übergang zum Treiber mit etwas Knetmasse angepasst. Ab Winkel, die etwa im Bereich um 50° liegen, zeigt der ER4 das bekannt niedrige Klirrniveau (wobei dieses durch die Schalldruckverstärkung des Horns niedriger liegt als ohne Schallführung) und lässt sich auch durch flachere Anfangswinkel nicht weiter verringern.
Zuerst wollte ich den rückwärtigen Schall des ER4 nutzen und über eine lange 11cm durchmessende Röhre an der Rückseite der Box herausstrahlen lassen.



Über unterschiedliche Bedämpfungen wollte ich etwas mit der Bandbreite und Intensität des rückseitig abgestrahlten Schalls und damit mit dem Diffusschall experimentieren. Leider erzeugte die Röhre unnötige Resonanzen, die der ER4 dazu nutzte seinen Frequenzgang lustig zu verbiegen. Auch mit intensivster Bedämpfung ließen sich die Problemstellen nicht in den Griff kriegen, so dass ich mich entschloss dem ER4 ein geschlossenes Gehäuse zu spendieren.
Aber auch hier bestätigten sich meine Erfahrungen mit diesem Treiber. Er reagiert wesentlich sensibeler als Kalotten und natürlich auch als Konusstrahler auf das, was hinter im passiert.
Zuerst galten meine Bemühungen einem möglichst resonanzarmen Gehäuse. Ich baute verengende Röhren alà B&W, antiparallele Konstruktionen wie Pyramiden, testete verschiedene Blumentöpfe und Abflussrohre diversen Durchmessers und Formen, wurde aber nirgends richtig glücklich.
Hier ein Bild des B&W-inspirierten Röhre:



Auffällig war, dass eine Resonanz um 4kHz immer wieder auftrat. Hierbei spielte es fast keine Rolle, ob diese Wellenlänge in irgendeiner Form den Gehäuseabmessungen entsprach. Die genauen Gründe sind mir bis heute unklar. Ich habe auch zu viele Bedämpfungen und Gehäuse willkürlich und unsystematisch gewechselt, um die Fehlerursache genau eingrenzen zu können. Die Störstelle ist auf jeden Fall genau an dem Punkt, an dem der ER4 auch eine kleine Sprungstelle im Frequenzverlauf besaß (die diversen, mir bekannten Messungen zeigen, dass Eton diese Problemstelle in den letzten Jahren besser in den Griff bekommen hat) und auch im Bündlungsverhalten kleine Unstetigkeiten und Unsauberkeiten zeigte.
Auch in Sachen Bedämpfung gab sich der ER4 sehr zickig. Noppenschaumstoff und Bofoam verschlechtern fast an jeder Stelle im Gehäuse das Ausschwingen (ich vermute, die werfen wohl ein Teil wieder zurück), Polyesterwatte, Schafwolle und Schwerschaum funktionieren dagegen ganz gut.
Wie habe ich jetzt die besten Ergebnisse bekommen? Im Lauf der Versuchsreihe kristallisierte sich immer mehr heraus, dass der ER4 die besten Ergebnissen zeigt, wenn alle Wände möglichst weit entfernt sind, Verengungen und Kanäle vermieden werden und möglichst dicht bedämpft wird.
Eigentlich hätte er sich im kompletten Tieftonvolumen am wohlsten gefühlt, aber das konnte ich aus leicht verständlichen Gründen nicht realisieren. Also habe ich ein waagerechtes, schräges Brett hinter den ER4 gesetzt, was zum Gehäusedeckel spitz zu läuft.



Danach habe ich lange Versuchreihen mit der Bedämpfung des Gehäuses durchgeführt und schließlich alle Wände und fast das komplette Gehäuse mit Schwerschaum zugepflastert und nur einen Kanal bis zur Rückwand hinter dem ER4 locker mit Schafwolle (die bessere Ergebnisse als Polyesterwatte brachte) gefüllt. Das sorgt dafür, dass der ER4 nach hinten frei atmen kann und die untere Grenzfrequenz nicht zu stark nach oben rutscht.
Bei den Gehäuseabmessungen bin ich ganz pragmatisch rangegangen, schließlich haben sich die ergebenen Abmessungen, sowohl aus ästhetischen Gesichtspunkten als auch aus praktischen Gesichtspunkten perfekt ergänzt. Die Box ist schließlich 26cm x 48cm x 32 cm (B x H x T) groß geworden, was dem Tieftöner abzüglich aller Versteifungen und des Hochtonabteils etwa 19 Liter zur Verfügung stellt.



Im Inneren gibt es neben der zurückversetzten Hochtönerschallwand und der Trennwand zwischen Tiefton- und Hochtonvolumen noch zwei Verstrebungen.
Eine Verstrebung teilt das Gehäuse horizontal in zwei Hälften und sorgt zusätzlich dafür, dass der Tieftöner an seiner Rückseite zu allen vier Wänden die gleichen Abstände sieht. Das ist natürlich nicht nur von Vorteil, schließlich liegt sowohl die Stehwelle, die sich zwischen den Seitenwände, als auch die, die sich zwischen dem Boden und der Verstrebung bildet, auf der gleichen Frequenz. Dieser Zustand war aber fast unvermeidlich und hat aber den schönen Nebeneffekt, dass der Tieftöner nach hinten annähernd symmetrische Verhältnisse vorfindet. Dadurch werden Taumelbewegungen und Asymmetrien bei großen Hüben reduziert, auch wenn man diesen Umstand nicht überbewerten sollte.
Da der Tieftöner sehr tief eingefräst werden musste, habe ich die Schallwand mit 10mm MDF aufgedoppelt, um den Schrauben und dem Treiber selbst ausreichenden Halt zu gewährleisten. Den Schallwandausschnitt habe ich von hinten angefast, um Kompression und Luftverwirblungen zu vermeiden.



Die zweite zusätzliche Versteifung liegt hinten zentral um das Bassreflexrohr angeordnet, welches durch diese hindurchragt und nach Festlegungen der im Hörtest ermittelten Länge mit ihr verklebt und so ruhig gestellt und gestützt wird (hier noch ein Bild des alten Gehäuses mit der Röhre hinter dem ER4).



Ich stehe nach den Erfahrungen mit dem dreieckigem Bassgehäuse und unzähligen Behausungen für den ER4 gehäuseinternen Schallführungen, schrägen und/oder antiparallelen Wänden zur Vermeidung von Gehäusestehwellen und -resonanzen eher skeptisch gegenüber. Entweder ist die Wellenlänge so groß, dass die Maßnahmen (fast) keinen Einfluß haben oder aber die Stehwelle wird in andere Frequenzbereiche verschoben. Jeder Hohlkörper hat seine Resonanzen und Stehwellen. Das klassische Kastendesign ist dabei am einfachsten zu bauen und besitzt die beste Raumausnutzung. IMHO sollte man seine Mühen lieber in eine sorgfältige Bedämpfung stecken:
Durch Messungen an komplett unbedämpften Gehäusen habe ich herausgefunden, dass die Stehwelle zwischen Rück- und Schallwand den größten Störfaktor für den eingebauten Treiber darstellt. Also habe ich bei Kyrill die komplette Rückwand mit Schwerschaum und darüber eine Schicht Noppenschaumstoff bekleidet. Die restliche Bedämpfung habe ich dann durch Messungen am fertigen Lautsprecher festgelegt und wird ggf. im Hörtest noch überarbeitet.
Dabei habe ich darauf geachtet, dass der Weg zum BR-Rohr frei bleibt und dass das Volumen nicht zu dicht bedämpft ist (was meist Lebendigkeit und Dynamik kostet und messtechnisch an abgeflachten Impedanzspitzen zu erkennen ist), aber wiederum ausreichend Material vorhanden ist, um die Stehwellen im Gehäuse zu unterdrücken.
Durch hochauflösende Nahfeldmessungen direkt vor dem Tieftöner konnte ich zwei wesentliche Störfrequenzen im Gehäuse ausmachen, deren Wellenlänge ziemlich genau den Abstand zur Rückwand und zwischen den Seitenwänden entsprach.
Polyesterwatte und Schafwolle habe ich bei den Messungen unterschiedliche Eigenschaften nachweisen können. Diese habe ich genutzt und die Materialien gezielt platziert und deren Wirkung immer wieder mit Messungen gegen geprüft.
Schafwolle dämpft effektiver und ist somit im Bereich maximaler Schallschnelle mittig im Gehäuse um das BR-Rohr platziert. Polyesterwatte liegt im hinteren Bereich über dem Noppenschaumstoff, im Winkel hinter dem Hochtöner und an den Seitenwänden rund um den Tieftöner, da dort eine hohe Effektivität nicht gebraucht wird bzw. kontraproduktiv ist.
Die Bilder sind noch vor der Optimierung der Bedämpfung und ohne Bassreflexrohr:



Bei den ersten Fernfeld-Messungen am Tieftöner mussten wir trotz sorgfältiger Optimierung der Bedämpfung feststellen, dass der Treiber im Mittelton etwas welliger läuft, als wir es nach den oben verlinkten Messungen im Testgehäuse erwartet hatten. Genau der Grund, der mir mit dem Spaß an der 3-Wege-Box nahm, tritt bei Kyrill in abgeschwächter Form auch auf. Es ist das Horn vor dem ER4, die der Tieftöner „sieht“ und dessen Unstetigkeit die Welligkeiten hervorruft. Diese Vermutung ließ sich leicht verifizieren, indem man das Horn versuchsweise mit einem Stück Pappe abdeckte, der Tieftöner also eine glatte Schallwand „sieht“:



Natürlich interessierte uns auch noch, wie das Bündlungsverhalten der beiden Treiber zueinander passt:

Eton ER4 am gekürztem RCF H100 (normiert auf 10°):



18Sound 8NMB420 (normiert auf 10°):




Der ER4 am H100 bündelt sehr gleich gleichmäßig, zwischen 1kHz und 10kHz sogar fast konstant. Beim 18Sound stört die Aufweitung um 850Hz, die durch die schon oben erwähnte Strörung des benachbarten Horns zustande kommt. Zwischen 1kHz und 2kHz ist das Bündlungsverhalten aber praktisch identisch zum horngeladenen ER4, oberhalb von 2kHz übernehmen die Membranresoanzen das Zepter.
Die Übergangsfrequenz sollte also passenderweise zwsichen 1 und 2kHz liegen, um eine Sprungstelle bei der Übergangsfrequenz zu vermeiden und ein konstantes Bündlungsverhalten zu erreichen (wobei natürlich noch andere Punkte Einfluß auf die zu wählende Übergangsfrequenz nehmen).

Nun fehlt „nur“ noch die Abstimmung der Box. In der Vergangenheit bin ich da immer so vorgegangen, dass ich die Chassis unter verschiedenen Winkel durchgemessen und dann mit LspCAD eine Weichentopologie entworfen habe. Diese Weiche habe ich dann im Hörtest überprüft und nur meist etwas an der Tonalität „geschraubt“, also einzelne Werte leicht geändert aber die Grundschaltung unangetastet gelassen.
Bei Kyrill möchte ich aber noch sorgfältiger arbeiten und verschiedene Weichenschaltungen ausprobieren und über Tage hinweg Probe hören um die Chassis und den Einfluss der Weiche besser kennen lernen bzw. besser zu differenzieren.
Jede einzelne Weiche wird ausführlich per Messung und Hörbericht vorgestellt.
Spannend sind dabei nicht nur die tonalen Unterschiede, sondern auch die Differenzen im Klirr und IMD (ja, da wollen wir uns auch dran trauen )
Derzeit höre ich schon mit einer einfachen 6dB-Weiche aus zwei Bauteilen, die etwa bei 1600Hz trennt, mehr dazu demnächst…

Hier noch ein paar Bilder vom fertig geschliffenem und lackiertem Lautsprecher:



Schönen Gruß, Christoph

und ich sag' noch - "Vadder" sag' ich "tu das nicht ... "