Warum auch Bandpässe klingen können

Hier gibts eine kurze Einführung zum Thema Bandpassgehäuse

Was ist ein Bandpassgehäuse?

Ein Bandpassgehäuse heißt erstmal so, weil die Übertragungsfunktion - also die Lautstärke über alle Frequenzen hinweg - nur ein bestimmtes Frequenzband passieren lässt. Diese Funktion kann auch ein elektronisches Filter übernehmen, aber das soll hier nicht Gegenstand sein

Wir haben also ein Gehäuse, dass sowohl zu hohen Frequenzen, als auch zu tiefen Frequenzen hin leiser wird obwohl man am Eingang ein über alle Frequenzen 'gleichlautes' Signal einspeist. Das ist im Homehifi und bei Veranstaltungsbeschallung teils interessant, wird aber auch dort nicht unbedingt genutzt - mit verschiedenen Hintergründen.
Will man das aber bewusst nutzen, so spart man das Tiefpassfilter, was dem Subwoofer die Frequenzen abschwächt die ihn ortbar machen. Dieses macht ja das Gehäuse schon von sich aus.

Die Frequenzen bei der -3dB im Vergleich zum nutzbaren Frequenzband erreicht werden als obere bzw. untere Grenzfrequenz (fgo bzw. fgu) bezeichnet. Diese sollten dem eigenen Geschmack angepasst werden. Tiefbasslastige Musik braucht zum Beispiel eine kleinere fgu also das bei Rockmusik in den meisten Fällen nötig ist.

Ein derartiges Gehäuse besteht in der am meisten verbreiteten Art aus 2 Kammern. Der Lautsprecher ist in der Trennwand der beiden Kammern eingebaut und von aussen nicht sichtbar (wenn man von Einsätzen aus Plexiglas absieht).

Mindestens eine dieser Kammern hat eine Ventilation nach aussen. Dabei handelt es sich zumeist um ein Rohr. Die Wirkungsweise ist die eines Helmholtz-Resonators. Bei Bassreflexgehäusen wird dies zum Beispiel auch eingesetzt.
Man spricht hier von einem einfach ventilierten Bandpassgehäuse, da nur eine Kammer ventiliert ist. Es können dabei aber mehrere Rohre (die gebräuchlichste Art von Resonatoren) nach aussen geführt sein.

Sind wiederum beide Kammern nach aussen ventiliert spricht man von einem doppelt ventilierten Bandpassgehäuse.

Weitere Formen haben ggf. noch Resonatoren von Kammer zu Kammer oder weitere Kammern die verschiedene Funktionen erfüllen können.

Der einfache Fall - einfach ventilierter Bandpass

Wenn man von der einfachsten Art, also dem einfach ventilierten Bandpass ('-gehäuse' wird auch gern weggelassen) ausgeht sollte man - wie bei jeder Gehäusekonstruktion - ein geeignetes Lautsprecherchassis verwenden.
Die nach Thiele und Small benannten Thiele-Small-Parameter (oft abgekürzt: TSP) lassen schon meist eine gute Einschätzung zu.

Dabei gilt es etwa folgende Werte einzuhalten:

0.35 < Qts < 0.5
fs < 35Hz
50L < Vas < 120L

... wobei die Angabe bei Vas so zu verstehen ist, dass idealerweise der Wert kleiner sein sollte

je größer Qts ist. Dazu später mehr

Ein Lautsprecherchassis was etwa in dieses Spektrum passt sollte ein im Auto praktikables Gehäuse ermöglichen und eine für Subwooferanwendungen ausreichende Bandbreite von etwa einer Oktave (fgo/fgu = 2).

Eine tiefere Freiluftresonanz fs wird sich mit einer tieferen unteren Grenzfrequenz auswirken, wobei dies mit einem großen Qts in Kombination nochmals eine tiefere Widergabe ermöglicht.

Allerdings kann es auch Kombinationen geben, die dann eine recht kleine obere Grenzfrequenz haben (z.B. 52Hz wäre schon sehr tief bzw. klein ;)). Wenn man das mag und eh eine tiefe Trennung des Subwoofers bevorzugt sollte das nicht stören, allerdings müsste man in dem Fall ein Tiefpassfilter trotzdem hoch oder mit weniger Trennschärfe/Flankensteilheit wählen.

Die verwendeten Kammerngrößen bzw. -volumina sollte man mit einem Simulationsprogramm ermitteln, da das wohl am einfachsten ist
WinISD pro von www.linearteam.dk finde ich empfehlenswert. Eine Einarbeitung ist aber doch notwendig. Ein Verständnis der angezeigten Kurven ist wichtig, da man sonst nicht weiß was man später zusammenbaut.

Die geschlossene Kammer wird in der Standardeinstellung (Bandpass 4th Order; 0dB Ripple) eine Einbaugüte von etwa 0.7 aufweisen. Das entspricht der sogenannten Butterworth-Abstimmung die man auch für geschlossene Gehäuse wählt, da man einen guten Kompromiss aus Tiefgang und Präzision erreicht.
Schon hier fällt hoffentlich auf, dass ein Bandpassgehäuse auf jeden Fall größer wird als ein gleichartiges geschlossenes Gehäuse - mit dem gleichen Lautsprecherchassis versteht sich.
Die ventilierte Kammer wird so groß gewählt, dass etwa eine Oktave Bandbreite erreicht wird. Die Abstimmfrequenz des Resonators in der ventilierten Kammer liegt in der Standardeinstellung auf der Resonanzfrequenz der geschlossenen Kammer. Der Amplitudenfrequenzgang ist dann glatt und fällt zu fgu/fgo hin mit 12dB/Oktave ab (Filter 2ter Ordnung - dies tritt an beiden Flanken auf, daher auch die Bezeichnung '4th Order' in WinISD - es wird zwei mal 2te Ordnung summiert).

Man hat also bei dieser Kontruktion ansich 3 Freiheitsgrade: Volumen geschlossene Kammer, Volumen ventilierte Kammer, Abstimmfrequenz des Resonators.
Mit einer Simulationssoftware kann man damit mal 'rumspielen' und schauen was passiert wenn man daran Veränderungen vornimmt. Die Effekte sind teils gravierend. Wichtig ist etwas Erfahrung oder Kenntnis der theoretischen Grundlagen zum Gehäusebau um die Effekte die dann akustisch zu Tage treten einschätzen zu können. Die Graphiken lassen einen nicht hören, das muss man dann schon noch selbst machen

Zu den Änderungen an einzelnen Freiheitsgraden ein paar Worte:

Legt man die Abstimmung des Resonators auf eine tiefere Frequenz, so wird man insgesamt Wirkunsgsgrad einbüßen. Es wird bei gleicher zugeführter Leistung weniger Schalldruck erzeugt.
Allerdings hat man relativ, also bei gleicher zugeführter Leistung über alle Frequenzen hinweg, mehr Tiefbass. Man sollte eine gewisse Relation wahren, da man zwar mit Mehrleistung auch mehr Schalldruck erzeugen kann, aber ein Lautsprecherchassis nur endlich viel Leistung in Schall wandeln kann - alles was darüber hinausgeht wird fast ausschließlich in Wärme gewandelt und kann zum Ausfall führen.
Legt man die Abstimmung dagegen auf eine höhere Frequenz, so wird diese ein Betonung erhalten und alle anderen Frequenzen werden relativ zu dieser leiser sein.

Vergrößert man die ventilierte Kammer, so wird die Bandbreite schmaler und der Wirkungsgrad steigt an. Allerdings wird der Amplitudenfrequenzgang weniger linear ausfallen, was von einer idealen Widergabe weggeht.

Ein Vergrößern der geschlossenen Kammer kann eine bessere Präzision bedeuten, auch die Resonanzfrequenz der Kammer sinkt. Allerdings gilt hier wie auch bei geschlossenen Gehäusen: Durch die fehlende mechanische Bedämpfung der Schwingeinheit wird die elektrische Belastbarkeit kleiner.
Ein Verkleinern hingegen kann bis zu einem gewissen Maß okay sein und klanglich keinen Nachteil einbringen. Allerdings sollte man Einbaugüten (in WinISD hier nicht explizit angeben, kann man aber einfach über die Simulation des gleichen Chassis in einem geschlossenen Gehäuse ablesen) über 0.9 vermeiden. Spätestens dann wird die Wiedergabe 'boomig', unpräzise. Der Tiefgang nimmt ab, die Resonanzfrequenz steigt an.
Anmerkung: Solche Konstrukte findet man häufig im Laden stehend. Das klingt dementsprechend schlecht und bringt der Bandpasskonstruktion auch heute noch den Ruf ein unpräzise zu klingen. Allerdings handelt es sich hier um schlecht konstruierte Gehäuse!

Die Änderung von mehreren Freiheitsgraden kann dann zu Kombinationen führen, die sich gegenseitig positiv beeinflussen. Man kann zum Beispiel die ventilierte Kammer vergrößern, die Abstimmfrequenz des Resonators senken und erhält mehr Tiefgang bei annähernd gleichgebliebenem Wirkungsgrad. Allerdings 'erkauft' man sich das mit einer Welligkeit im Amplitudenfrequenzgang (zwischen fgu und fgo ist die Übertragungsfunktion nicht mehr linear sondern 'hängt' durch). Das macht sich in der Praxis aber weniger bemerkbar, solang es sich nicht um eine mehrere dB tiefe Senke handelt - hier ist auch ein probieren angesagt, denn jeder hört anders

Insgesamt kann man mit einiger Erfahrung und/oder unter Verwendung von Messequipment somit auch die Fahrzeugresonanz (die erste Resonanzfrequenz liegt meist im Arbeitsbereich des Subwoofers) etwas ausgleichen.

Doppelt ventilierter Bandpass - Versuch einer Anleitung

Die zweite auch noch recht gut verbreitete Bauweise ist der doppelt ventilierte Bandpass.

Diese findet man oft im Bereich von PA als Subwoofer oder teilweise als Kickbass-Erweiterung eingesetzt. Auch hier gilt um so mehr, dass die Abmessungen klein sein sollen und ein kleines Gewicht wird angestrebt. Daher sind diese Konstrukte bei manchen Beschallungsmenschen auch unbeliebt. Man baut, wie im Carhifi-Bereich beschrieben, Kisten die zu klein sind um eine qualitativ gute Wiedergabe zu erreichen.

Möglich ist das jedoch schon. Sicherlich wird man mit gutem Gehör auch hier Unterschiede wahrnehmen, aber diese sind für den Normalhörer wohl nicht so auffallend.

Wir werden also jetzt auch die zweite Kammer, die bisher geschlossen ausgeführt war mit einem Resonator versehen. Der Amplitudenfrequenzganz hat auch hier eine fgu und fgo, allerdings erhöht sich die Zahl der Freiheitsgrade nochmals um 1.
Man kann also salopp gesagt noch mehr falsch machen

In WinISD pro wird diese Art als Bandpass 6th Order beschrieben, was auch hier von der Filtercharakteristik abgeleitet ist. Die abfallenden Flanken an fgu/fgo haben hier eine Steilheit von 18dB/Oktave, was einem Filter 3ter Ordnung entspricht. Diese summiert man wieder und erhält eben die 6te Ordnung (diese Art der Bezeichnung kommt imho aus der Elektrotechnik).

Ein Chassis für dieses Gehäuse sollte folgende TSP aufweisen:

Qts < 0.35
fs < 40Hz
Vas < 100 Liter

... wobei auch Vas > 100 Liter verwendet werden können, jedoch das Gehäuse dann sehr groß wird.
Weiterhin sollte auch der Kraftfaktor/Force factor BxL (in Teslameter [Tm] jedoch auch ohne Einheitsangabe zu finden) recht groß sein. Konkrete Werte kann man da schlecht nennen
Ein Versuch soll trotzdem zu finden sein:

für 25cm > 8Tm
für 30cm > 12Tm
für 38cm > 15Tm

Größere Werte sind hier prinzipiell als besser einzustufen. Sollte der Wert nicht angegeben sein, so ergänzt WinISD den nach Eingabe der TSP sofern möglich.
Jedenfalls gibt dieser Wert Aufschluss über die Kontrolle die die Antriebseinheit auf die Schwingeinheit hat. Die Kontrolle kann hier eben nicht mehr über die Luftfeder reguliert werden und muss daher vom Chassis selbst übernommen werden.

In WinISD (ich verwende WinISD pro, lasse aber für gewöhnlich den Zusatz 'pro' weg - bitte nicht wundern) gibt es dafür keine Standardabstimmung - halt! es gibt eine, aber die ist nicht vom Chassis abhängig.

Ich habe mir als Grundgedanken angenommen den Wirkungsgrad auf den Kennschalldruck zu legen (in der Ansicht 'Transfer function magnitude' die Linie auf 0dB). Dies gelingt einerseits mit passender Dimensionierung der Volumina, zum anderen mit der passenden Abstimmfrequenz der Resonatoren.
Hier ist ein Näherungsverfahren anzuwenden, bei dem man mit fbu = fs (Abstimmfrequenz des Resonators für tiefe Frequenzen) und fbo = 2xfs beginnt. Die Volumina sollten anfangs etwa 2:1 (tief abgestimmte zu hoch abgestimmte Kammer) verteilt sein.
Weiter ist durch die Versuch-Irrtum-Methode zu optimieren. Es gibt sicherlich auch andere Verfahren, oder Softwares die dies für einen vornehmen, allerdings ist mir diesbezüglich nichts (frei verfügbares) bekannt.

Diese recht ungenaue Anleitung für doppelt ventilierte Bandpässe wird sicher nicht zum Bau animieren, soll aber auch die Auseinandersetzung mit dem Thema fördern

Weitere wichtige Kriterien für den erfolgreichen Bau

Die Bemessung der Resonatoren sollte auch eine gewissen Beachtung erfahren.

Ein Resonator arbeitet bis in einen gewissen Bereich hinein gut, fängt dann aber an zu

komprimieren. Das heißt er gibt nicht mehr Schall ab, wenn man mehr Leistung auf den Lautsprecher gibt. Das gleiche gilt für den Lautsprecher, wie oben schon beschrieben.

In WinISD hat man nun die Möglichkeit unter der Ansicht 'Front port - Air velocity' bzw. 'Rear port - Air velocity' die Strömungsgeschwindigkeiten simuliert zu sehen. Diese sind von der im Projektfenster eingestellten Eingangsleistung abhängig.
Im Projektfenster also unter dem Reiter 'Signal' die Ausgangsleistung der Endstufe eingeben, die eingesetzt werden soll.

Die Strömungsgeschwindigkeit sollte nun einen gewissen Grenzwert nicht überschreiten. Ich würde diesen mit 20m/s annehmen, jedoch gibt es auch Angaben nachzulesen die auf 16m/s abzielen.

Konkret sind an der Stelle wieder Hörtests zu empfehlen.
Die von mir genannten 20m/s entsprechen meinem gehörmäßigen Test. Dabei waren keine deutlichen Strömungsgeräusche zu hören. Die Kompression kann man schlecht einschätzen, sollte aber noch im Rahmen liegen.
Ist die Strömungsgeschwindigkeit jetzt höher als der Grenzwert, so wird im Projektfenster unter dem Reiter 'Vents' die Anzahl der Rohre oder die Fläche des rechteckigen Ports solang erhöht, bis der Grenzwert unterschritten wird.

Hier können schon die ersten Probleme mit der Praktikabilität auftreten. Wenn ein Chassis mit kleinem Vas verwendet wird und dadurch die Kammern klein sind, werden die Ports schnell sehr große Längen erreichen - bei entsprechender Leistung. Hier kann es dann schon mal sein, dass die Ports dann nicht komplett in das Gehäuse passen, etc.

Die Betrachtung der Gruppenlaufzeit (Ansicht 'Group delay') gibt nur bedingt Aufschlüsse über das klangliche Verhalten der fertigen Kiste.
Man sollte darauf achten, dass ein starker und steiler Anstieg (bedingt durch die Resonatoren) am unteren Ende des Hörbereichs liegt. Dieses untere Ende liegt nun wieder in Zusammenhang mit der bevorzugten Musik. Tiefbasslastigere Sachen sollten vermutlich bei kleiner-gleich 30Hz diesen Anstieg haben, für weniger tiefbasslastige Musik kann dieser auch noch bei 35 bis etwa 40Hz liegen. Auch hier gilt wieder, dass Hören im Ohr passiert und jeder seine eigenen Erfahrungen machen sollte.
Allgemein kann man aber sagen, dass man sehr sprunghafte Anstiege über 40hz vermeiden sollte.

Was noch zu sagen bleibt

Abschließend noch ein paar allgemeine Worte zum Thema:

Die Vergrößerung eines Volumens ist nur in gewissem Rahmen sinnvoll. Die Membranfläche eines Chassis ist endlich und kann eine immens große Luftmasse nicht vollständig zur Schwingung anregen. Daher ist ein Wirkungsgradgewinn in der Simulation nicht immer in der Praxis so zu beobachten.

Der Antrieb des Chassis sollte bei einer Bandpasskiste aus Gründen der Vorsicht besser in der ventilierten Kammer eingebaut werden. Dann riecht man, wenn doch zuviel Leistung auf die Schwingspule kam und kann leiser machen.

Wenn ein Chassis nicht geeignet ist für eine bestimmte Gehäuseart, dann wird das auch nicht klingen - klar. Ausnahmen gibts aber auch hier!
Wenn jetzt ein Chassis nach den TSP scheinbar für ein Gehäuse geeignet ist, dann muss das nicht heißen, dass dann alles mögliche geht. Wenn ein Chassis schon im geschlossenen Gehäuse (Qtc 0.7) zu träge ist für schnelle Bassfolgen (Double Bass vom Schlagzeuger beispielsweise), dann wird das in anderen Gehäusen auch nichts.
Das Gehäuse macht das Chassis also nicht besser, wie auch? Das Chassis sollte am besten immer vorher probegehört werden, dann klappts auch mit dem Wunschklang

Sicherlich gibt es die theoretisch aufgearbeiteten Unterschiede (z.B. in dem Buch 'Vance Dickason - Lautsprecherbau') zwischen den Gehäusetypen. Ich würde aber sagen, dass diese nicht so gravierend sind wie häufig beschrieben.

Fazit

Ich hoffe ich konnte euch mit diesem Beitrag mal zum basteln und hören anregen Paar Euro für Holz sollten für viele machbar sein und man kann sich mal die Vorurteile anhören - oder eben nicht

Gruß, Seb

Tja ausrechnene kannste vieles. Mit der Formal da im Shop kannste die Tunning ausrechnen. Aber das Ergebnis wird nicht sehr genau da es sich um relativ kurze Ports zum Durchmesser gesehen handelt und die Korekturbeiwerte extrem zu buche schlagen. Was Syrincs da geändert hat weiss man nicht. Nimm die nen Multi für 5Euro, nen Lastwiderstand und irgend einen Sinusgenerator dann weisst du wo „dein“ seine Tunnig F hat.