Passive Unipole - Die Anleitung

Moin,

nach langem hin und her habe ich mich noch doch entschieden, das Geheimnis um meinen inzwischen viel diskutierten passiven Unipol zu lüften.

Warum ich das tue? Mehrere Personen, die sich in der Hifi-Szene und der Industrie auskennen haben mir inzwischen von einer Patentierung abgeraten, da sich entsprechende Produkte wohl nur schwer auf dem etablierten Hifi-Markt plazieren lassen werden.

Darum habe ich mich entschieden, das Wissen der Allgemeinheit nicht weiter vorzuenthalten und stattdessen dem dröhnigen Bass den Kampf anzusagen und die Fackel der Constant Directivity auch in die tiefen Frequenzebenen zu tragen...

Doch nun zur Technik:

Unipole zeichnen sich dadurch aus, dass der Bass nierenförmig (cardioid) abgestrahlt wird. Hierbei gibt es hinter der Box eine Auslöschung.

Weitere Bauformen sind Monopol (keine Auslöschung) und Dipol (zwei Auslöschungen, je nach Bauform in unterschiedlichem Winkel).

Der Vorteil von Unipolen liegt darin, dass sie in einem gewissen Maße die Vorteile von Monopolen und Dipolen vereinen. Monopole als Druckwandler erzeugen zwar überall im Raum Schalldruck, sind aber sehr anfällig für Raummoden. Dipole als Schnellewander sind eher aufstellungskritisch, dafür werden Moden bei richtiger Aufstellung nicht so stark angeregt. * Dementsprechend schwingen Dipole um Raum auch schneller aus. Der Unipol liegt in seinen Eigenschaften dazwischen und kombiniert Aufstellungsfreiheit mit schwächerer Modenanregung.

Unipole wurde bisher durch die Kombination von Monopol und Dipol, durch Arrays von Subwoofern mit getrennter digitaler Ansteuerung (d&b und andere PA-Firmen) oder durch akustische Fließwiederstände (ME Geithain) hergestellt. ** Bisher fristen sie trotz ihrer Vorteile im Hifi-Markt ein Nischendasein, was ich auf die komplizierte Technik zurückführe.

Wer mehr wissen möchte findet bei Wvier eine weitere Einführung und auf deren Website auch noch weiteres Material.

Die Faustregel zum Design eines Unipols besagt, dass der Schall auf der Membranrückseite phasenverschoben und pegelreduziert ausgegeben werden muss. Immmer wieder hört man dabei von den Werten 160° und -6dB. Die 160° sind auch das Trickreiche an der ganzen Sache, ein einfaches Verpolen des hinteren Chassis führt nämlich nicht zum Ziel. Deswegen auch die digitale Filterung oder Fließwiderstände, mit beiden lässt sich das gewünschte Verhalten erzeugen.

Mein Ansatz, Unipole passiv herzustellen gründet sich in dem Gedanken, die Phasenverschiebung auch passiv herzustellen. Die meisten würden nun versuchen, durch ein aufwändiges Weichennetzwerk mit Allpässen etc. elektrisch auf die Phase im Nutzbereich einzuwirken. Meine Idee war es, den Impedanzgang (und damit den Phasengang) durch Änderungen am mechanischen Teil des Systems zu beeinflussen, auf gut deutsch: die Gehäusegröße zu varieren. Erste Simulationen mit BoxSim waren sehr vielversprechend; BoxSim eignet sich sehr gut als Programm zum Simulieren von Unipolen, da es Phasenbeziehungen beachtet, Polardiagramme anzeigt und außerdem noch die Werte im Klartext einzeigt, die zur Berechnung des Unipols nötig sind. Anfangs nutzte ich noch zwei verschiedene Verstärker in der Simulation, um Phasenbeziehung und Dämpfung unabhängig voneinander betrachten zu können. Schnell erwies sich eine rückwärtige Dämpfung von 6 dB als optimaler Wert.

Die Experimente bei der Phasenbeziehung dauerten etwas länger, aber auch hier zeichnete sich bald eine gewisse Regelmäßigkeit ab, die bisher bei allen Chassiskombinationen funktionierte und sogar bei verschiedenartigen Chassis (z.B. TMT auf der Front, größerer oder kleinerer TT auf der Rückseite) nicht versagte.

Bis dahin waren die Ergebnisse im Tieftonbereich sehr gut, ab dem Grunton wandelte sich aber das Bild und spätestens ab dem unteren Mittelton, je nach Boxengröße, gab es ein heilloses Chaos.

Deswegen bekam der hintere Tieftöner noch eine Spule, die den Tiefton weitgehend nicht beeinflusst, dem Grund- und Mittelton aber alle Probleme abgewöhnt.

Nun zu den drei Faustregeln des passiven Unipols:

• 1. Faustregel: Die Resonanzfrequenz der hinteren Schallquelle soll zwei Drittel (= 2/3; = 0,67) der Resonanfrequenz der vorderen Schallquelle betragen!
  
  
• 2. Faustregel: Die hintere Schallquelle soll 6 dB leiser sein als die vordere!
  
  
• 3. Faustregel: Die hintere Schallquelle soll durch eine Serienspule gefiltert werden, deren Wert bei etwa 5 mH bis 25 mH liegt, typisch sind 10 mH bis 15 mH.
  

Jede Konstruktion, die nach diesen drei Faustregeln konstruiert ist, verhält sich von unterhalb seiner Resonanzfrequenz bis zur Eigenbündelung wie ein Unipol.
Hierbei sind rückwärtige Dämpfungen von 10-15 dB in weiten Frequenzbereichen möglich.

Zur Beachtung dieser Regeln lassen sich theoretisch alle erdenklichen Kombinationen einsetzen, auch, da das hintere Chassis aufgrund seines ausschließlich tieftönigen Einsatzes gerne mit beschwerter Membran werkeln darf und sich die rückwärtige Dämpfung über den Widerstand der Serienspule einstellen lässt. ***

Das eröffnet folgende - in meinen Augen sinnvolle - Möglichkeiten:

• Zwei Chassis, verschiedene Gehäusegrößen:
  
  Vorne und hinten jeweils ein Chassis, parallele Verkabelung, Einstellung der Resonanzfrequenzen über die Volumina und der Rückwärtsdämpfung über die Serienspule
  
  
• Zwei Chassis, verschiedene Membranmassen:
  
  Vorne und hinten jeweils ein Chassis, parallele Verkabelung, Einstellung der Resonanzfrequenzen über die Membranmassen (unterschiedliche Chassis oder Modifizierung einer Membran) und der Rückwärtsdämpfung über die Serienspule (Wirkungsgradsenkung durch Membranmassenerhöhung beachten!).
  

Natürlich kann man auch Volumina und Massen gleichzeitig beeinflussen, solange die "2/3"-Regel erfüllt ist, klappt das ganze hervorragend.

Gerade bei Unipolen mit zwei Chassis ist in der Simulation allerdings die Ausbildung einer Hyperniere zu beobachten, d.h. nach ganz hinten ist der Schall wieder lauter als zu den Seiten. Ich vermute, dass dies an der Bündelung der Schallquellen in der Schallwand liegt, so dass sich die Schallanteile der beiden Chassis nicht mehr erreichen können und sich somit auch nicht perfekt auslöschen können. Möglichst schmale Schallwände sollten dieses Problem zu höheren Frequenzen verschieben, bei denen unter Umständen ein Einbau des hinteren Chassis mit dem Magnet nach außen gegen weitere Schallabstrahlung wirken dürfte. Nichtsdestotrotz ist auch dieses Verhalten genau so gut oder besser als beim Monopol.

Insgesamt kann die Version mit zwei Chassis als kostengünstigere (weniger Chassis, billigere Spulen wegen höherem Widerstand), aber auch schlechtere Variante betrachtet werden.

Bei Unipolen mit drei Chassis fällt obiges Problem deutlich schwächer aus. Diese besitzen vorne zwei Chassis und hinten ein Chassis, die alle parallel geschaltet werden. Dadurch strahlt die hintere Schallquelle automatisch 6 dB leiser, und die Serienspule sollte möglichst niederohmig sein. Die Resonanzfrequenz des hinteren Chassis muss auch hier 2/3 der Resonanfrequenzen der vorderen Chassis betragen, deren Resonanzfrequenz muss jeweils gleich sein.

• Drei Chassis, verschiedene Gehäusegrößen:
  
  Aufbau wie oben, Einstellung der Resonanzfrequenzen über die Volumina
  
  
• Drei Chassis, verschiedene Membranmassen:
  
  Aufbau wie oben, Einstellung der Resonanzfrequenzen über die Membranmassen (unterschiedliche Chassis oder Modifizierung einer Membran), hierbei ist darauf zu achten, dass der Wirkungsgrad des hinteren Chassis sinkt. Man sollte also ein Chassis wählen, das ohne Zusatzmasse etwas lauter ist.
  

Die Variante mit drei Chassis ist technisch sauberer, aber auch teurer. Welcher Variante man den Vorzug gibt, bleibt dem persönlichen Geschmack überlassen. Zwei Chassis mit Massenveränderung eignen sich z.B. hervorragend für Regalboxen/Monitore, da hier der Kompromiss aus Wirkungsgrad, Tiefgang und Gehäusevolumen quasi beliebig variiert werden kann.

Drei Chassis passen besser ein Standboxen mit zwei oder drei Wegen, z.B. lässt sich eine D'Appo mit einem Rückwärtigen TMT optisch ansprechend aufbauen, aber man könnte auch über und unter die MHT-Einheit einer 3-Wege-Box jeweils einen Unipol mit drei Chassis setzen.

Noch ein Wort zur Impedanz:

Der passive Unipol besteht aus der Parallelschaltung dreier Chassis mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz. Das hat den Vorteil, dass die Impedanz im Tiefton weitgehend ohne großen Aufwand linearisiert wird, hat allerdings den Nachteil, dass auch bei Verwendung von 8-Ohm-Chassis die Impedanz gerade in sehr tieffrequenten Bereichen auf kritische Werte absinken kann. Dagegen hilft jedoch eine hochohmige Serienspule im Filter für den gesamten Zweig, die durch die linearisierte Impedanz auch keinen allzu schlechten Einfluss auf den Tiefton hat.

Und noch was zu Filtern:

Grundsätzlich kann der Unipol wie ein Chassis gefiltert werden, d.h. vor die gesamte Kombination aus zwei oder drei Chassis kann ein beliebiges Filter wie in einer normalen Frequenzweiche verwendet werden. Einzig und allein Filter, die mit der Impedanz der Chassis interagieren, z.B. GHP, funktionieren nicht mehr wie gewünscht, da die Impedanz des Gesamtsystems schon beinahe linearisiert ist. Hier könnte man die Bauteile direkt an die Chassis hängen, aber davon rate ich ab, denn z.B. ein GHP zerstört die Phasenbeziehung zwischen den Chassis und damit das Unipol-Verhalten.

Letzer Punkt, Bassreflex:

Auf eine Lösung für Bassreflexsysteme bin ich noch nicht gestoßen, da ein Bassreflexrohr die Phase deutlich massiver dreht als eine geschlossene Box. Ich vermute deswegen, dass der Unipol nicht als BR-Box baubar ist, lasse mich aber auch gerne vom Gegenteil überzeugen...

Soo, das wars von meiner Seite, ich kann nur sagen: Werft Boxsim an, simuliert mit euren Wunschchassis drauflos und schaut was passiert. Spielt dabei ruhig mit Spulenwerten, Membranmassen und Volumina rum, solange die "2/3-Regel" beachtet wird gibt das immer einen mehr oder weniger guten Unipol. Und für alle potentiellen Membranmodder da draußen gilt folgende Regel: Wenn ihr die Masse der Membran um Faktor x verändert, steigt Qes um Wurzel x und fs sinkt um Wurzel x. Netterweise zeigt Boxsim all diese Werte auch gleich an!



Happy Wasteling,


Bastian "Spatz" Mohing

Geschützter Hinweis (zum Lesen markieren): * Dipole strahlen auf Vorder- und Rückseite gegenphasig, so dass der abgestrahlte Schall teilweise absorbiert wird. ** Meckerer werden hier jetzt anmerken, dass auch aufwändige passive Filtertechnik zum Einsatz kommen kann, aber diese Methode erachte ich aufgrund des Aufwands und der eher mittelmäßigen Ergebnisse als obsolet. *** Extreme Kombinationen sind dabei natürlich dennoch sinnfrei. 7 cm vorne und 38 cm hinten bringen nichts und sehen auch noch komisch aus. 20cm vorne und 16 cm hinten klappen da schon eher, genauso wie z.B. ein 16er TMT mit 20er Sub oder 3 7ern im Rücken.

Hallo Unipol Begeisterte,

habe jetzt erst diesen Thread gelesen und möchte denjenigen, die damit experimentien, einen Hinweis geben. Auf

www.bassgun.de

habe ich einen Bauplan für einen Vollbereichs-Unipol veröffentlich, mit dem man gut weiter experimentieren kann. Hat z.B. parallel zum hinteren Speaker einen Serienschwingkreis zur Impedanzglättung, so dass die Spule gleichmäßiger funktionieren kann. Damit wird man variabler mit den Speakern (gleiche Resonanzfrequenz usw.) und Volumina.
Constant directivity Vollbereichsspeaker klingen super sauber im Bass! (auch in akustisch schwierigen Räumen)

Dann viel Spaß beim Werkeln.

Gerhard


P.S. Habe schon einmal im Thread "gerichtete Bassabstrahlung ein Mythos?" diesen Hinweis gegeben.
http://www.hifi-forum.de/viewthread-104-15538.html