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Stand 09.09.2016

Boxenbau Projekt 6: PA-Bassreflex-Subwoofer

von K. Föllner
 

1. Einleitung:

Hier wird der Aufbau meiner PA-Subwoofer beschrieben, die den Bass zu den Top-Teilen aus Projekt 5 bereitstellen.
Wie auch bei den Topteilen, war der erste Gedanke: Bass-Hörner. Die sind aber auch sehr groß und haben Probleme in Räumen. Also wurde auch aus Zeitnot, erst mal ein "kleiner" Subwoofer mit halbwegs Druck geplant, passend zu den Top-Teilen, die ja 100dB/1W1m und 450W RMS haben. Da die obere Übernahmefrequenz auch flexibel sein sollte, so zwischen 120...200Hz, fielen hier Bandpässe raus. Hier zeigen sich aber die physikalischen Grenzen: Hoher Schalldruck (also großer Wirkungsgrad) bedeutet großes Volumen oder weniger Tiefgang. Das lässt sich nicht ändern, so sind Wirkungsgrade oberhalb von 97dB bei unter 50Hz beim Bass einfach nicht machbar, oder man hätte riesige Volumen von mindestens 200 Litern.

2. Treiberauswahl:

Anforderungen an den Basstreiber:
- 15" Subwoofer für entsprechende Membranfläche (sonst müsste Xmax zu groß werden)
- noch handhabbarer Boxengröße (50 ... 120 Liter)
- Für Bassreflex-Gehäuse geeignet (Qts) für gute Belüftung und höheren Wirkungsgrad.
- Pegel mindestens 95dB/1W/1m (Hier zog ich allerdings nur die aus den TSP errechneten Werte heran, die besser vergleichbar sind.) Durch das Positionieren auf dem Boden sollten hier rein messtechnisch aber nochmals etwas hinzukommen.
- Belastbarkeit mindestens 600W RMS-Leistung mit möglichst wenig thermischer Kompression (also 100mm- bzw. 4-Zoll-Schwingspulen)
- Xmax mindestens 8 mm, um 50 Hz mit mind 123 dB linear zu treiben
- Xlim mindestens 12mm, um bei großen Leistungen (>1000W) keine Beschädigungen zu haben

Folgende Treiber habe ich mir genauer angesehen: die jeweiligen Bestwerte sind unterstrichen, Problemwerte rot fett hervorgehoben
(Einige weitere sah ich mir auch noch an, diese aber schnell wieder verworfen...)

Treiber
Qts
fs (Hz)
Pmax (W)
Sd (cm²)
Xmax (+- mm)
Xlim (+- mm)
SPL 1W / 600W / Pmax*
powercompression
BR: V / fgu
Preis (EUR)
1. 18sound 15NLW9500
0,32
35
1000
910
9,0
19,5
95,0 / 122,8 / 125,0 dB 2,6dB
90l / 45Hz
309
2. 18sound 15W750
0,37
39
600
910
8,0
19,0
97,1 / 124,9 / 124,9
4,0dB
150l / 45Hz
210
3. 18sound 15NLW9300
0,26
39
800
900
8,0
17,5
97,6 / 125,4 / 126,6
3,0dB
60l / 60Hz
325
4. Eminence Omega Pro 15A 0,32
33
800
856
4,8
12,2
96,4 / 124,2 / 125,4
?
130l / 44Hz
219
5. Eminence Kappa Pro 15LF-2
0,30
35
600
856
6,7
18
96,2 / 124,0 / 124,0
?
100l / 47Hz
185
6. Fane Colossus 15 XB 0,32
38
800
855
7,5
?
96,3 / 124,1 / 125,3
?
95l / 48Hz
230
7. Fane Colossus Prime 15 XS 0,31
36
1000
855
12
30
95,4 / 123,2 / 125,4
ca. 3dB?
80l / 47Hz
249
8. RCF L15P200AK-II-8
0,34
38
800
830
9,8
18
95,3 / 123,1 / 124,3
?
90l / 45Hz
229
9. BMS 15S330
0,37
40
600
881
8,0
?
96,1 / 123,9 / 123,9
?
90l / 48Hz
259
10. BMS 15N830V2
0,27
37
1100
881
8,0
?
96,3 / 124,1 / 126,7
?
55l / 59Hz
400
11. Faital FX560
0,30
38
700
810
9,4
10,9?
95,5 / 123,3 / 124,4
?
65l / 52Hz
380
12. beyma 15G40
0,30
37
700
830
7,0
16,5
95,8 / 123,6 / 124,3
?
75l / 50Hz 260
13. B&C 15PZB100
0,29
39
700
855
8,0
?
96,7 / 124,5 / 125,2
?
65l / 56Hz
255
14. Precision PD.15BR40
0,32
38
700
830
10,5
?
95,7 / 123,5 / 124,2
?
80l / 49Hz
225
15. Volt RV4504-18
0,35
33
750
962
10
25
95,0 / 122,8 / 123,8
?
150l / 38Hz
>500
16. celestion FTR15-4080FD
0,25
34
1000
855
6,0
?
95,1 / 122,9 /  125,1
?
40 l / 60Hz
?
* Die SPL-Werte sind alles errechnete Werte, ohne thermische Kompression.
Die Preise sind von Anfang 2014, bei einigen Chassis (so z.B. auch bei den betrachteten RCF und dem Fane) gab es Mitte 2015 eine Preiserhöhung um durchschnittlich 5...10%.

Resümee:
Man sieht schnell, dass hier keiner zaubern kann. Leider gibt nur Eighteensound die Power-compression bei Maximal- und halber Leistung an. (Der Tabellenwert oben ist bei Pmax.) Dieser sagt aus, um wie viel Dezibel der Pegel gegenüber dem erechneten niedriger ist. Je besser die Schwingspulenkühlung funktioniert, desto geringer ist das Delta.

Der Volt ist ein 18"-Woofer mit kleinerer Membranfläche, der aber richtig tief gehen kann, wenn man ihm Volumen gibt. Er ist im Schnitt nur 1dB leiser, mit 300 Pfund (>400 EUR) aber zu teuer.
Beide Eminence-Teile sind von den Eckdaten und dem Preis wirklich ziemlich gut, nur die lineare Hub Xmax ist für große Pegel einfach zu klein. Auch der beyma wäre geeignet, er erlaubt etwas kleinere Volumen und der Tiefgang ist nur marginal schlechter.

Der Fane Colossus 15XS braucht etwas mehr Power, um auf den gleichen Pegel zu kommen, dafür ist das Gehäuse kleiner. Oder man erhöht es von 80l auf 110l, kommt damit auf etwa 43Hz runter, mit einem Buckel. Die 200l aus dem Datenblatt halte ich dann doch für etwas zu viel.
Daneben war auch der RCF-Klassiker L15P200 in seiner aktuellen Variante AK2 und der precision PD15BR40 interessant.

Ich machte mir mal den Spaß, die Kurven meiner 3 Favoriten (Fane, RCF und precision devices) bis 2kHz übereinander zu legen. Also nahm ich das Bild aus dem precision-Datenblatt und kopierte die anderen beiden angepasst mit hinein.
Die Einbaugüten Qtc sind im Bild vergleichbar, sie liegen beim Fane bei 0,33 (975 l) beim RCF bei 0,37 (600 l) und beim precision bei 0,34 (975 l). Durch die Halbraum-Messung könnten hier die Pegel abweichen, also 3dB über dem theoretischen Wert liegen. Ob auch der Raum die Frequenzgangmessung beeinflusst hat, kann ich nicht sagen, vermute es aber stark. Bei etwa 1,1kHz treffen sich alle Verläufe in einem Punkt.



Der RCF sieht hier am gleichmäßigsten aus, hat aber den geringsten Pegel im wichtigen Frequenzbereich zwischen 40...150Hz. Er hat auch nicht die Senke um 60Hz wie die anderen beiden. In der Abstimmung könnte dieser Anstieg eventuell zu einer Begradigung führen, da hier bei ca. 50Hz der Pegel wieder steigt. Der precision hat erst um 90Hz den höchsten Pegel, er könnte hier etwas wummerig klingen.
Der Frequenzgang des RCF ist bis 250 Hz absolut sauber und der Treiber ließe sich wirklich, wie von Hersteller angegeben bis 1kHz betreiben. Den Fane würde ich ohne Entzerrung nicht betreiben, er ist schon im unteren Bereich sehr wellig. Auch die 500Hz vom Hersteller würde ich sicherlich nie nutzen, bei 300Hz ist hier spätestens Schluss. Diese Schwankungen können durch Raumreflexionen oder vom Aufbau der Zentrierspinne oder Aufhängung stammen.

Schaut man sich den Aufbau des Treibers an, sieht der Fane am robustesten und besten ventiliert aus, er hat ja auch die höchste Maximalleistung. Auch der RCF scheint eine gute Schwingspulenkühlung zu haben. Laut Internetkommentaren ist er auch ein richtiger Druckmacher. Der precision erscheint hier etwas altbacken und hat auch die geringste Maximalleistung, er sollte also auch die höchste power-compression haben.

Für maximalen Pegel nimmt man den Fane, für besseren Klang den RCF.


Fane:
Frequenzgang Fane
Fane-Datenblattangaben:

Parameter
Wert
Chassis-Durchmesser: Membran / Korb / Korbmax
330 / 387,4 / 406,4 mm
Einbautiefe Außen- / Innen-Einbau
188 mm / 196 mm
Frontausschnitt Außen- / Innen-Einbau
355,6 / 351,8 mm
Schwingspulendurchmesser 101,6 mm
Widerstand / Impedanz
5,2 / 8 Ohm (Alternativ auch 4 und 16-Ohm verfügbar)
Maximalleistung
1000 W(AES) / 2000 W (Programm) / 4000 W (peak)
Freiluftresonanz fs
36,3 Hz
Freiluftgüten Qts / Qes / Qms
0,31 / 0,32 / 7,7
Äquivalentvolumen Vas
149,7 Liter
eff. Membranfläche Sd
855 cm²
lineare Auslenkung Xmax / peak-to-peak-travel Xlim2x
12 mm / 60 mm
Schwingspulen-Induktivität Le
1,93 mH
SPL (berechnet) / Empfindlichkeit
95,4 / 98 dB (1 W, 1 m)
empfohlener Frequenzbereich / Einbau
30 ... 500 Hz / Bassreflex 70 ...125 Liter
Masse
12,7 kg

Leider ist das Datenblatt ziemlich dürftig.

RCF:

RCF-Datenblattangaben:

Parameter
Wert
Chassis-Durchmesser: Membran / Korb / Korbmax
325 / 387 / 387 mm
Einbautiefe Außen- / Innen-Einbau
124 mm / 138 mm
Frontausschnitt Außen- / Innen-Einbau
358 / 362 mm
Schwingspulendurchmesser 100 mm
Widerstand / Impedanz
6,5 / 8 Ohm
Maximalleistung
800 W(AES) / 1600 W (Programm) / 3200 W (peak)
Freiluftresonanz fs
38 Hz
Freiluftgüten Qts / Qes / Qms
0,34 / 0,35 / 8,1
Äquivalentvolumen Vas
139 Liter
eff. Membranfläche Sd
830 cm²
lineare Auslenkung Xmax / peak-to-peak-travel Xlim2x
9,8 mm / 36 mm
Schwingspulen-Induktivität Le
1,5 mH
SPL (berechnet) / Empfindlichkeit
95,3 / 95 dB (1 W, 1 m)
empfohlener Frequenzbereich / Einbau
35 ... 1000 Hz / Bassreflex
Masse
11,7 kg

Auch hier ist das Datenblatt noch etwas dürftig.

Simuliert man die beiden Treiber in einem Bassreflexgehäuse, fühlen sich beide bei 90 Litern wohl, der Pegelunterschied ist minimal (unhörbare 0,3dB). Leider ist die thermische Kompression nicht angegeben.

Simulationsvergleich

Da der RCF hier einen deutlich linearen Verlauf im Bassbereich hat, mit 800W gegenüber 1000W nur minimal weniger Power besitzt und sogar noch etwas günstiger ist, nahm ich diesen Klassiker.

3. Bassreflex-Abstimmung und Gehäusegröße

Wie schon erwähnt genügen 90 Liter Bassreflex für den RCF. Ich spendierte ihm etwas mehr, um etwas tiefreichenden Bass zu bekommen.Als sinnvolle Querschnittsfläche wählte ich 279 qcm, das sind mehr als 1/3 (genau 33,6%) der Treiberfläche, auch bei der Berechnung abhängig von der Tuningfrequenz und Xmax reicht das aus. Mit Dämmwolle an den Seiten ging ich von einem Bruttovolumen von 100 Litern aus, die effektive Tunnellänge musste dann etwa 28cm betragen.
Frontdarstellung mit Maßen:
Zeichnung
                        der Front

Seitendarstellung mit Maßen:

Seiten-Schnitt

Die nicht bemaßten Leisten rechts sind Streben zur Versteifung.

4. Gehäusebau

Zum Einsatz kamen wieder 15mm Multiplexplatten (Meranti), die leicht und stabil sind. Die Front wurde ebenfalls aus dieser Dicke gefertigt, aber noch 20mm zurückgesetzt.
Die Breite und Höhe wurde möglichst klein gewählt, 44cm Außenbreite und 52cm Höhe, für die Tiefe ging ich auf 55cm. Der Bassreflextunnel wurde unterhalb des Treibers als rechteckigen Tunnel über die komplette Breite eingeplant. In die Mitte kam nur ein 12mm-Steg zu Stabilisierung. Somit ergaben sich 7cm Tunnelhöhe bei einer effektiven Breite von 39,8 cm, Die 12mm starke Multiplexplatte für den Tunnel ist 26cm tief und wurde hinter die Frontplatte geschraubt, so ergeben sich etwa 29cm an effektiver Bassreflexrohrlänge.



In den Deckel kam je ein Boxenflansch, um mit einer Distanzstange die Tops in korrekter Höhe zu halten.
Vor allem durch das leichte Holz, aber auch passable Treiber sowie Kunststoff-Griffe (Monacor MZF-337) ist jede Bassbox relativ leicht.

Hier sind die beiden Tops mit den Bässen, den passiven Frequenzweichen zu sehen:




In der Mitte sind die beiden passiven Weichen für die Tops und die Distanzrohre (d=35mm, l= 100cm) zu sehen

5. Pegel

Bei den ersten Test merkt man schnell, dass die Chassis erst mal eine Einlaufphase benötigen, um weicher zu werden. Das bestätigte auch die buckelige Messung.
Bei extrem tiefen Bässen pustet es ordentlich im Reflexkanal. Aber auch in Räumen kann man mit 2x150W ordentliche Pegel erzeugen. Für deutlich höhere Pegel sind aber große Endstufen mit mind. 600W notwendig.
600W sind nur 75% der RMS-Leistung, die Bässe werden also nicht an die Grenze gefahren und sollten so lange halten.

Die Hoch-Mitteltöner waren hier aufgrund des 6dB höheren Wirkungsgrades noch im Leerlauf.

Aufgrund des Blinkens der -6dB-LED am Amp kam in großen Räumen der Wunsch nach mehr Reserve auf:
Mit einem zweiten Paar Bässen kann man hier noch etwas drauflegen. Das zweite Paar erhöht quasi den Wirkungsgrad um 3 dB, wenn die Bässe direkt beieinander stehen. Mit dann doppelter Leistung erhält man so 6dB mehr Schalldruck.
Mit den beiden parallel geschalteten Bass-Paaren (jede Seite 2 Stück) kam ich von 2 x 600W auf 2x 920W und steigerte so den Maximalschaddruck um etwa 5dB. Jeder Subwoofer erhält dann 460 W ist also bei nur 58% der RMS-Belastbarkeit.
Um die Boxen sowohl nebeneinander als auch übereinander stapeln zu können, blieben die Abmessungen gleich.
Das zweite Paar bekam dafür je 4 runde Sacklöcher (Tiefe 5mm) in den Deckel gebohrt, um die Hartgummi-Füße (D=40mm, d=15mm) des oberen aufzunehmen und einen stabilen Stand zu gewährleisten. Das Holz darunter wurde verstärkt.
Ein weiterer Unterschied zwischen altem und neuem Paar war ein anderer Flansch. Das erste hat einen 35mm Stahleinsatz zum einstecken, das zweite einen M20-Schraubflansch (Rockstand Flange Adapter M20 Bolt).
In Fall des Aufeinanderstapelns muss dann eine kürzere Distanzstange (ich nutze 60 cm) verwendet werden.

6. Aktivsubwoofer

Wer den Sub als reinen Aktivsubwoofer betreiben möchte, hier wäre das Aktivmodul AVM-3 von JB-Systems vielleicht eine interessante Wahl. Für ca. 320 EUR gibt es ein Modul, dass neben Lautstärkeregelung auch wahlweise einstellbares Tiefpassfilter bietet. Auch besitzt es die so wichtigen, symmetrische Eingänge (XLR in/out), ist in class-D ausgeführt und hat mit 800W an 8 Ohm genug Leistung. Eine zusätzliche Speakonbuchse erlaubt das zusätzliche Parallelschalten eines weiteren Basses. Dann sind immerhin noch 1200 W an 4 Ohm drin, also 2x 600W.