Warum sind PA-Chassis hart aufgehängt?

[Jakob]

Hallo liebe Kollegen!

Ich habe eine technische Grundlagenfrage, welche ich mir schon länger stelle. Darauf glaube ich hier von euch am ehesten eine gute Antwort zu bekommen.

Kurz und prägnant formuliert lautet die Frage:
Warum werden typische PA-Chassis härter aufgehängt als HiFi-Chassis?
Ich habe gehört, dass dadurch u.a. der Wirkungsgrad, der max.Pegel und die elektrische Belastbarkeit stiegen soll. Letzteres leuchtet mir ein, bei den ersten beiden Punkten zweifle ich. Daher die Folgefrage:
Stimmt das so überhaupt, oder ist das typischer Internet-Voodoo?

Nachdem ich mir jetzt das elektrische Ersatzschaltbild mehrfach durchgedacht hab, verstehe ich es aber immer noch nicht.
Meiner bescheidenen Meinung nach, schränke ich durch die höhere Steifigkeit ja nur die Bewegung ein (weil mehr Gegenkraft), zumindest unter fres, aber oberhalb von fres ist die Steifigkeit ziemlich irrelevant. Gedankenfehler?

Meine jetzige Vermutung ist, dass durch die höhere Steifigkeit die Taumel- und sonstigen Moden reduziert sind (bzw. höher liegen) und dadurch der Luftspalt verringert werden kann. Damit erhöht sich das "B" im "Bxl" und man hat mehr Wirkungsgrad.


Über euren Input bin ich sehr dankbar und wünsche liebe Grüße!
Jakob

[Burns]

Hallo Jakop,

gute Frage. Meine Vermutung liegt am vielleicht am dadurch schnelleren Lastwechsel der Membran.

lg Burns

[gargamel]

Interessante Theorie.

Ein 15''PA Chassis und ein 15''Hifi Chassis sollen ein 90hz Signal wiedergeben.
Welches macht die schnelleren Lastwechsel?

Gruß
Guido

[Frank Schölch]

Bei den hart aufgehängten Chassis dürfte die Schwingspule kürzer gewickelt sein, so dass eine höhere Anzahl an Windungen im Magnetfeld steht. Hierdurch ergibt sich der höhere Wirkungsgrad. Erkauft wird das durch einen deutlich geringeren linearen Hub.

Diese Chassis erzeugen im Grundton- und Mitteltonbereich einen sehr hohen Wirkungsgrad, was z.B. bei der Kombination 12" Tiefmitteltöner mit Horn sehr positiv wirkt. Als Subwoofer sind die Teile aber kaum zu gebrauchen bzw. nur mit extremer Membranfläche.

[pulsar99]

Warum werden typische PA-Chassis härter aufgehängt als HiFi-Chassis?
Ich habe gehört, dass dadurch u.a. der Wirkungsgrad, der max.Pegel und die elektrische Belastbarkeit stiegen soll. Letzteres leuchtet mir ein, bei den ersten beiden Punkten zweifle ich.

Hallo Jakob,

umgekehrt wird ein Schuh draus, aber der Reihe nach:

Die "Härte" der Aufhängung wird Compliance (cms) genannt, typischer weise in mm/N angegeben. Je höher cms, desto "weicher" die Aufhängung.
Die Resonanzfrequenz eines Chassis ist direkt abhängig von cms:

fs = 1 / ( 2 * π * √(mms * cms))
also: je niedriger cms, desto höher fs (bei gleicher bewegter Masse mms)

der Wirkungsgrad wiederum ist abhängig von der Resonanzfrequenz:

n0 = 4 * π * fs³ * Vas / (c³ * Qe)
mit c = Schallgeschwindigkeit = 344 m/s

und das in der dritten Potenz. Also: je niedriger cms, desto höher ist fs und desto höher ist der Wirkungsgrad n0, bei ansonsten gleichen Parametern!

Der Max. Pegel ist im Tiefton praktisch nur durch das Verschiebevolumen, also Membranfläche * lineare Auslenkung, des Chassis begrenzt.
Im Mittelton hat der max.Pegel dagegen durchaus wieder Bezug zum Wirkungsgrad!

Die elektrische Belastbarkeit ist dagegen vorrangig eine thermische Belastbarkeit der Schwingspule und abhängig von Schwingspulendurchmesser, Wickelhöhe, Schwingspulenmaterial, Schwingspulenträgermaterial, Belüftungsmaßnahmen usw...

Zwei weiter Faktoren sprechen für eine härtere Aufhängung bei PA-Chassis:

-cms geht auch in die Berechnung des Vas ein: niedriges cms --> niedriges Vas. Für eine lineare Bassreflexabstimmung brauche ich dann nur ein kleineres Gehäuse (mit höherer Abstimmfrequenz), was die Transportfähigkeit der Box verbessert. (Daher auch die gern verwendeten Neodym Magnete in den Chassis, das spart Gewicht und erleichtert den Roadies die Arbeit).

-bei ventilierten Gehäusen (also z.B. Bassreflexboxen) verringert ein niedriges cms die Auslenkung im Subsonicbereich unterhalb der Abstimmfrequenz, das erhöht die Lebensdauer des Chassis.

Grüße Ralf

[aurelian]

Zur Veranschaulichung: doppelt so hohe Resonanzfrequenz = 8-facher Wirkungsgrad (2 hoch 3)

Ergänzend noch: hat man durch den Einbau eine relativ hohe Eigenresonanz Fc (Fc ist ja je nach Gehäusegröße immer deutlich über Fs), sagen wir 50-60 Hz, so braucht der Lautsprecher im an sich leistungshungrigen Bereich von 40 bis 70 oder 80 Hz wegen der Impedanzspitze kaum Leistung. Was sich unter 35-40 Hz abspielt, interessiert den PA-ler eh nicht, man pflegt sowieso bei 30 Hz (+/- 5Hz) ein steiles Subsonicfilter zu setzen.

[Jakob]

Hallo!

Vielen Dank für eure bisherige Beteiligung, ich hab mich damit nun doch einige Zeit außeinander gesetzt, bitte nicht böse sein, falls ich ein wenig direkt bin.

@Burn und gargamel
Was ist ein Lastwechsel? Das ist mein ein total unbekannter Begriff.

@Frank Schölch
Mehr Windungen im Magnetfeld klingt super für mehr Wirkungsgrad, aber warum muss ich dafür die Membran härter lagern? Könnte ich ja auch einfach bei einem weichen Chassis machen oder nicht?

@pulsar99
Die Formel für die Wirkungsgrad sieht super interessant aus.
Woher hast du diese? Mir ist diese noch nie untergekommen.
Ich hab allerdings dran einwenig herum gerechnet (immerhin gehe ich davon aus, dass die Formel stimmt).
Wenn man folgendes einsetzt:
Vas = rho * c^2 * Sd^2 * cms
Qe = 2 * pi * fs * mms * R / (B*l)^2 (die Massenhämmung der Luft vernachläss ich mal).
komme ich auf:
eta = rho/(2*pi^2*c) * (Sd^2 * (B*l)^2) / (mms^2 * R)

eta ... Wirkungsgrad
fs ... Resonanz des Chassis in unendlicher Schallwand
fc ... Resonanz des Chassis in der Box
R .... elektrischer Widerstand (= Gleichstrom Widerstand)

Wenn ich mich nicht verrechnet habe, dann kommt dort drin keine Steifigkeit (Nachgiebigkeit) mehr vor, dafür alles andere was logisch ist (Fläche, Bxl, Masse und el. Wiederstand).
Warum? weil sich der Einfluss der Steifigkeit einfach rauskürzt. Sicher wird fs durch harte Aufhängung dadurch höher, aber auch Qe und Vas ändern sich in gleichem Maße.


Zum Argument mit dem kleineren benötigten Gehäuse (weil Vas kleiner ist): Wenn ich bei gleichen sonstigen Parametern eine weichere Aufhängung hab, kann das Gehäuse ja noch kleiner sein, immerhin geht des doch um die geammte Steifigkeit, oder nicht?. Formelmäßig nimmt durch die weichere Aufhängung auch fs und Qe (über die Wurzel) ab.
Wenn ich mich nicht irre sieht der Zusammenhang (im geschlossenen Gehäuse) so aus:
Q = Qts * sqrt( (Vas + V) / V )
fc = fs * sqrt( (Vas + V) / V )
Wenn man annimmt, dass Qtc primär von Qe bestimmt wird ergibt es sich, dass bei Vergrößerung von Vas, Qts und fc mit der wurzel sinken (sieht man in den Formeln weiter oben).
Bei gleichem Boxenvolumen hab ich dann sogar eine gringere Güte und eine geringere fres, bzw. ich kann die Box noch kleiner bauen.

Und zum zweiten Argument bzgl. der Lebensdauer &
@aurelian
Bewegung begrenzen ist für Lebensdauer super, versteh ich. Vorallem dort, wo man es nicht braucht (also bei allem unter ~40Hz). Aber so allgemein will ich doch gerade Bewegung haben oder nicht?
Also würde ich eher sagen, dass man prizipiell versuchen sollte den Lautsprecher auf eben diese 40Hz als untere Grenze abzustimmen. Aber warum mit Aufhängung und nicht mit kleinerem Volumen?

[aurelian]

Bewegung begrenzen ist nicht nur für die Lebensdauer günstig, sondern man kann im restlichen Bereich um einiges lauter spielen bzw. gibt es entsprechend weniger Klirr. Wozu also die Membran bei 20-30 Hz huben lassen, wo de facto zumindest bei Musik nichts Sinnvolles vorkommt (lassen wir mal das Dutzend Stücke für Orgel weg, wo ein paar tiefere Töne drinnen sind) und bei Schallplatten allenfalls kräftiges Rumpeln. Und bei elektronischer Musik, wo artifizielle Töne unter 30 HZ vorkommen mögen, fällt es auch nicht auf, wenn die um 6 dB leiser kommen, aber das Chassis wird enorm entlastet.

[fabi]

Der Wirkungsgrad ist unabhängig von der Resonanzfrequenz. Auch ist der Einfluss des Gehäuses fast unabhängig von der Einspannung. Macht man die Einspannung weicher, wird Vas größer, macht man die Einspannung härter ist Vas kleiner, die Einbauresonanzfrequenz ist dann wieder ganz ähnlich, insbesondere bei kleinen Gehäusen.

Früher hat man oft ohne Hochpassfilter gearbeitet und dann ist es tatsächlich sinnvoll, den Hub durch die höhere Resonanzfrequenz etwas zu begrenzen um die Spule im Lufspalt zu halten.

Man sollte immer alle Parameter zusammen betrachten, auch die Nichtlinearitäten des Motors und der Einspannung.

Grüße!
fabi

[ubix]

Die harte Einspannung schützt die lautsprecher auch vor mechanischer Zerstörung.
Würde man z.B. eine elektrische Bassgitarre über einen normalen HiFi Tieftöner wiedergeben, würde dieser in kurzer Zeit durch Anschlagen der Schwingspule zerstört werden, außer, man betreibt ihn deutlich unterhalb seiner Belastungsgrenzen. Einmal gegen eine Saite gestoßen, gibt es einen Mordsimpuls . Abgesehen davon haben typische HiFi Tieftöner sehr wenig eigenen Sound.

Die harte Einspannung hat ja meistens eine progressive Wirkung, ähnlich wie den Federn der Radaufhängung von PKW. Bei kurzen bis mittleren Hüben relativ weich und linear, darüber hinaus immer härter werdend, was bei hohen Impulsleistungen den Tieftöner vor mechanischer Überlastung schützt.

Dieser Schutz ist heutzutage auch mit angepasster Elektronik möglich.

[Burns]

Hallo Jakob,

es ist gut das solche Fragen direkt gestellt werden, das Forum dient ja auch zur Aufklärung verschiedenster Faktoren und deren Einfluss.

Mit Lastwechsel meinte ich die Bewegung der bewegten Masse von einer in die andere Richtung.

Q-Faktoren beschreiben die Güte der gewünschten / vorhandenen Intensität des Bauteils / oder zB Filters.
In unserem Fall Qms die mechanische, und Qes die elektrische Güte. Im geschlossenen Gehäuse hat das Produkt Qts von 0,7 den besten Wert für das Schwingverhalten des Chassie.

Hab nachgeschlagen:
Cms ist die Nachgiebigkeit / Compliance und gibt Auskunft über die Stärke der Rückstellkräfte, die die Membran in ihre Nullposition zurückversetzt. Eine harte Aufhängung tut dies schneller.
Eine Formel Cms in Verbindung mit einem Q-Faktor hab ich jetzt nicht gefunden. Könnte mir aber vorstellen, da ja jede materielle Veränderung Einfluss auf das Schwingverhalten hat und somit dem Q-Wert.


Eigentlich lauten die Formeln:
fc=fs*WURZEL(1+Vas/Vg)
Qtc=Qts*WURZEL(1+Vas/Vg)

lg Burns

[Frank]

Es heißt immer wieder mal, dass ein HiFi-Lautsprecher mit den Impulsen nicht klar kommt und er in letzter Konsequenz dahinscheiden würde. Bei einem geslappten Bass kann ich mir das durchaus vorstellen. Da könnte die mechanische Hubminderung durchaus eine Lebensversicherung für das Chassis sein.

Diese Hubminderung ist letztlich eine Komprimierung. Als E-Gitarrist weiß ich diese Kompression als klangformendes Element durchaus zu schätzen. Zusammen mit einer total übersteuerten Röhre in der Vorstufe und in die Sättigung gefahrenen Endstufenröhre(n), bin ich auf dem Weg in den Soundhimmel

[Jakob]

@aurelian & fabi
Da bin ich ganz d'accord.

@ubix
Ich muss gestehen, ich verstehe deine Argumentation nicht ganz.
Warum sollte ein HiFi-Speaker kaputt werden durch deine Bass-Gitarre?
Die Sache mit dem Sound verstehe ich, aber objektiv beurteilt soll auch ein PA-Speaker keinen Sound "machen" sondern primär laut, oder?
Und die Prgressive Steifigkeitssteigerung ist mWn alles andere als erwünscht,
immerhin ist das DER Hauptgrund für Klirr.

@Bums
Danke, ja die Formel war bei mir vermurkst. Keine Ahnung wie das passieren konnte. Ich habs korrigiert, danke dir!.

Der Zusammenhang zwischen mechanischer Güte und Nachgiebigkeit ist allgemein recht easy:
Qmech = 1/(2*pi * fres * cms * Rms)
Man kann nun auch noch fres durch cms und mms ausdrücken.

Ja die Rückstellkraft ist sicher höher bei niedrigerer cms, aber dadurch begrenzt man ja auch den Pegel (im Bass). Wobei über fc produziert die Masse deutlich mehr Gegenkraft als die Steifigkeit, deshalb ist ja auch die Beschleunigung (in erster Näherung) konstant (F = a * mms).
Unterhalb von fc ist die Auslenkung konstant weil hier die Steifkeit dominiert (F = x/cms).
Deshalb berenzt eine höhere Steifkeit die Auslenkung. Ist zwar ev schön für Klirr und auch für den Watt-Wert, aber reduziert halt auch SPL in den Tiefen.
(Daher ja meine Ausgangsfrage).

@Frank
Heißt es das? (mit dem Impulsen bei HiFi Lautsprechern).
Hab ich jetzt so nicht gehört.
Vorallem glaube ich nicht, dass es ein guter Kompromis ist, dafür einfach generell den Hub zu minimieren, damit verschenkt man doch einfach zuviel Tiefgang.

Mein Persönliches Resüme bisher:
Im PA-Bereich ist Tiefgang weniger wichtig als Pegel.
Daher opfert man unten rum gerne ein paar Hz für obenrum dB.
Dies begründet die höheren fc der PA-Boxen.
Unklar ist mir nun noch, warum man die dafür nötige Steifigkeit nicht aus dem Luftvolumen in der Box holt sondern über die Membranaufhängung.
Womit ich eigentlich wieder bei meiner Anfangsvermutung bin,
weil man dadurch die Memrbranbewegung besser kontrollieren kann und damit andere Vorteile hat...?
Oder wegen der Nicht-lin der Luftfeder?


LG
Jakob

[aurelian]

Wenn der Verstärker weniger Leistung hat als das Bass-Chassis verträgt und man zudem unten das Schlimmste herausfiltert, wird es wohl auch als HiFi-Chassis überleben. So ganz schlüssig erscheint es mir auch nicht zu sein, warum man mit einem HiFi-TT nicht e-Gitarre spielen kann. Vom Anschluss an eine Mehrwege-Box würde ich aber abraten, da hat man nicht mehr unter Kontrolle, was passiert (Clipping, HT hin).
Gitarren-Chassis (siehe zB bei Eminence: http://www.eminence.com/guitar-bass/ ) sind im übrigen fast ein wenig Richtung Breitbänder, man kann sie bis 5000 Hz schon verwenden, womit das Problem mit dem Zerfleddern von HT umschifft. Daher kommen auch primär 10-12"er, seltener noch 15"er, zum Einsatz und keine 18"er.

Ich habe lange herumsimuliert, alle möglichen 18"er von PA bis weich, sie waren letztlich im Bereich unter 50 Hz alle ziemlich gleich laut, sowohl in dB/W als auch bzgl. ihrer max. Lautstärke (die war natürlich prop zur Belastbarkeit bzw. linearen Auslenkbarkeit). Jedenfalls waren auch die weich aufgehängten mit tieferer Fs NICHT in der Lage, mehr Bass-Schalldruck zu erzeugen. Der einzige wesentliche Unterschied war, dass die weichen oberhalb der Fc deutlich weniger an Lautstärke zulegen als die harten (was dann so aussieht, als ob sie mehr Tiefgang hätten bzw. weniger Bassabfall, wenn man sich die Kurven nur relativ in dB anschaut, absolut bezogen auf Watt schauts ganz anders aus). Die weichen bzw. mit hoher bewegter Masse (Aluschüssel) 18"er hatten zB bei 150 Hz nur gut 90dB/W, die harten dagegen bis zu 100dB/W. Letzteres ist natürlich für den Bau von Passivboxen unerwünscht, bei Aktivboxen aber völlig egal.
Da ich bei den weich aufgehängten keinerlei Vorteile erkennen konnte, ist es dann rel. teuerer PA-18er (Neodym, 9kg, die Fe-Variante hätte 16 kg gewogen) mit 1200/2400W geworden.

[aurelian]

Drei 18er.

Der Beyma ist hart, der Monacor ist mittel, der Dayton ist weich und schwer.

Schalldruck bei 1W in CB 110L

QTC und FC kann man in der Legende lesen (Bild in neuem TAB öffnen, dann ist es groß)