Bedämpfung von Gehäusen


Wird ein Konuslautsprecher in einem Gehäuse betrieben, führt dies zwangsläufig auch zu einer Schallabstrahlung in das Gehäuseinnere. Diese ist stets mit Schalldruck- und Schallschnelleänderungen verbunden und kann zu störenden Schwingungseffekten im Medium innerhalb der Box (Luft) sowie auch des Gehäuses selbst führen.
Ein Teil der akustischen Energie wird auf das Gehäusematerial übertragen. Diese breitet sich als Biegewelle aus und führt dazu, daß auch von den Gehäusewänden Schall abgestrahlt werden kann. Es handelt sich hierbei um störende Gehäuseschwingungen.
Durch die Membranrückseite des Lautsprechers wird die Luft in der Box zum Schwingen angeregt und eine Schallwelle breitet sich aus. Trifft diese auf eine Gehäusewand, wird sie reflektiert. Befinden sich nun Gehäusewände im halben Abstand der Wellenlänge des in die Box abgestrahlten Schalls oder Vielfachen davon, entsteht eine sogenannte stehende Welle. Hierbei handelt es sich um eine unerwünschte Resonanzerscheinung, bei der an den Gehäusewänden jeweils ein Maximum des Schalldrucks und in der Gehäusemitte ein oder auch mehrere Maxima der Schallschnelle, also die größte Bewegung der Luft, auftreten. Die ausgeprägteste stehende Welle tritt bei der halben Wellenlänge auf.

  

Wie können die störenden Schwingungen vermieden werden?

Die beschriebenen störenden Effekte wirken sich meßtechnisch und auch hörbar aus und sollen deshalb vermieden werden. Im folgenden wird beschrieben, wie sie beeinflußt werden können.
Gehäuseschwingungen können durch die Auswahl des verwendeten Materials und die Wandstärke reduziert werden. Ideal wäre ein Gehäuse aus Gestein oder Beton, welches zudem noch über eine Wandstärke von einigen Zentimetern verfügt. Dies ist in der Praxis nur selten realisierbar. Akustisch und bearbeitungstechnisch gut geeignet sind Materialien wie MDF, Multiplex, Spanplatte und natürlich Holz. Die auftretenden Gehäuseschwingungen lassen sich durch zusätzliche Versteifungsmaßnahmen im Boxeninneren sehr gut unterbinden. Für normale Gehäuse sollte die Wandstärke 19 mm betragen und mindestens alle 40 - 50 cm eine Versteifung vorgesehen werden. Dabei verbindet man gegenüberliegende Gehäusewände miteinander. Ein zusätzliches Mitteltongehäuse kann als Versteifung betrachtet werden.
Die stehenden Wellen im Inneren einer Box können auf zwei Arten durch Dämpfungsmaterial beeinflußt werden:

  • Absorption von Schallan den Gehäusewänden. z. B. durch Noppenschaum. Die Absorption funktioniert nur dann effektiv, wenn die Absorbermaterialstärke größer als ein Viertel der zu absorbierenden Wellenlänge ist, also nur im Mittel- und Hochtonbereich.
  • Bedämpfung der stehenden Wellen durch "Stopfen" mit langfasrigem Dämpfungsmaterial oder Schafwolle. Hierdurch ist auch eine effektive Bedämpfung im Baßbereich möglich.

    

Dämpfungsmaterial im geschlossenen Gehäuse

Zunächst werden die auftretenden Effekte am Beispiel einer geschlossen Box betrachtet. Um seine resonanzunterdrückende Wirkung voll zu entfalten, wird das Dämpfungsmaterial, wie bereits erläutert, möglichst in Bereichen der Schallschnellemaxima, meist in der Gehäusemitte, angeordnet. Durch die Eigenschaften des Dämpfungsmaterials wird einerseits dem schwingenden Medium eine zusätzliche Masse beigefügt, die von Dämpfungsverlusten begleitet wird und andererseits die Federwirkung des Boxenvolumens beeinflußt.

Bild 1

Impedanz der geschl. Box 20 - 100 Hz;
Füllgrad 0 - 200 %

Für die folgenden Erklärungen wurden Meßreihen mit unterschiedlich starker Bedämpfung ein und desselben Gehäuses untersucht. Dabei beträgt das Gehäusevolumen 60 Liter netto. Eine Matte des VISATON-Dämpfungsmaterials in 10 l Gehäusevolumen entspricht einem Füllgrad von 100 %. Im Testgehäuse sind es also 6 Matten. Eine kontinuierliche Steigerung des Füllgrades bewirkt auch eine kontinuierliche Massevergrößerung. Am Impedanzverlauf einer Box kann man die auftretenden Effekte besonders gut analysieren.
Eine zusätzliche Masse bewirkt für ein schwingendes Lautsprechersystem stets ein Absinken der Resonanzfrequenz. Das Impedanzmaximum wird zu tiefen Frequenzen hin verschoben. Gleichzeitig bewirken die zunehmenden Dämpfungsverluste ein permanentes Absinken der Höhe des Impedanzmaximums. Ein weiterer Effekt ist die Verringerung der Federkonstante des eingeschlossenen Boxenvolumens durch die Dämpfungswolle, was ebenfalls ein Absinken der Resonanzfrequenz zur Folge hat. (Verantwortlich sind thermodynamische Vorgänge, auf die nicht näher eingegangen wird).
Bringt man jedoch zu viel Dämpfungsmaterial in das Gehäuse, sinkt die Federkonstante nicht mehr sondern steigt bei einer weiteren Füllung sogar wieder an, so daß hierdurch ein Resonanzfrequenzanstieg dem Abfall durch Massevergrößerung entgegenwirkt. Zu beobachten ist dieser Effekt dadurch, daß die Resonanzfrequenz bei steigendem Füllgrad nicht weiter absinkt. Der beschriebene Effekt wird als Überdämpfung bezeichnet und tritt bei einem Füllgrad von rund 200 % ein. Dabei wird aber stets durch die wachsenden Dämpfungsverluste die Höhe des Impedanzmaximums geringer. Betrachtet man die zugehörigen Frequenzgänge, stellt man folgendes fest: Die vorhanden Resonanzen bei 300 Hz und 600 Hz werden mit zunehmendem Füllgrad immer besser bedämpft, wobei ein Füllgrad von 80% - 100 % bereits ausreicht.
Weiterhin bewirken die zunehmenden Dämpfungsverluste ein Absinken des Pegels im Bereich der Resonanzfrequenz. Die Größenordnungen sind dabei folgende:

      - Füllgrad 100 % - 0,5 dB

      - Füllgrad 200 % - 1,0 dB

      - Füllgrad 400 % - 2,5 dB

Der durch die Dämpfungsverluste beeinflußte Frequenzbereich kann mit einer Bandbreite von 1 Oktave unterhalb bis 2 Oktaven oberhalb der Resonanzfrequenz angegeben werden. Am Ausschwingverhalten sieht man bei einem Füllgrad von 100 % bereits eine sehr gute Dämpfung der Resonanzen im Gehäuseinneren. Eine weitere Steigerung z. B. auf 200 % bringt hier keine Verbesserung mehr.
Es sollen jetzt noch die zugehörigen TSP der kompletten geschlossenen Box betrachtet werden. Der Gleichstromwiderstand Rdc betägt dabei stets 5.8 Ohm.

Füllgrad fs Qt Qe Qm
0 %
100 %
120 %
200 %
49,0 Hz
46,6 Hz
45,9 Hz
45,2 Hz
0,39
0,38
0,37
0,36
0,47
0,47
0,46
0,45
2,46
2,11
1,97
1,83

   

Es ist ein Absinken der Resonanzfrequenz bis zu einem Füllgrad von 200 % zu erkennen. Die mechanische Güte Qm fällt durch die steigenden Dämpfungsverluste stark ab, während die elektrische Güte Qe nur in geringem Maße beeinflußt wird. Für die gesamte Güte überwiegt stets der Einfluß der elektrischen Güte. Deshalb kann ein Lautsprecher, der ungeeinete Werte für eine gewünschte Abstimmung besitzt, nicht durch eine Gehäusebedämpfung in seinen TSPs in der nötigen Größenordnung beeinflußt werden.

Bild 2
Frequenzgang der geschl. Box 20 -
1000 Hz; Füllgrad 0 - 200 %
Bild 3
Ausschwingverhalten der geschl. Box 20 -
1000 Hz; Füllgrad 0 %


Bild 4
Ausschwingverhalten der geschl. Box 20 -
1000 Hz; Füllgrad 100 %

 


Bild 5
Ausschwingverhalten der geschl. Box 20 -
1000 Hz; Füllgrad 200 %

 

Das Absinken der Resonanzfrequenz läßt sich durch eine virtuelle Volumenvergrößerung erklären. Diese erreicht bei einem Füllgrad von 100 % einen Vergrößerungsfaktor 1,2 und ihr Maximum bei ca 120 % Füllgrad mit einem Faktor von rund 1,27. Eine weitere Steigerung des Füllgrades bringt dann jedoch nichts mehr. Das Software-Simulationsprogramm SPEAKER PRO 7.0 rechnet mit einem Faktor 1,2, was einem Füllgrad von 100 % entspricht. Es liegt nun der Gedanke nahe, daß man durch eine Bedämpfung ein viel kleineres Gehäuse bei gleicher Resonanzfrequenz und gleicher geforderter Gesamtgüte realisieren kann, in dem auch noch die Resonanzen im Gehäuseinnern bedämpft sind. Dies funktioniert prinzipiell auch, wenn da nicht der Wirkungsgradverlust des Pegels im Bereich der Resonanzfrequenz wäre. Man muß hierbei den Kompromiß zwischen Boxenverkleinerung und Wirkungsgradverlust eingehen. Eine gute Wahl ist ein Füllgrad von 100 % und eine Boxenverkleinerung um den Faktor 0,83.

   
Bild 6
Impedanzverlauf der geschl. Box 20 - 100 Hz;
(1) 60 Liter unbedämpft,
(2) 50 Liter unbedämpft,
(3) 50 Liter bedämpft

Bild 7
Frequenzgang der geschl. Box 20 - 200 Hz;
(1) 60 Liter unbedämpft,
(2) 50 Liter unbedämpft,
(3) 50 Liter bedämpft

Im folgenden sind noch einmal drei Messungen gegenübergestellt.

  • 60 Liter unbedämpft
  • 50 Liter unbedämpft
  • 50 Liter bedämpft mit

Füllgrad 100 %

Die Meßergebnisse zeigen für 60 Liter unbedämpft und 50 Liter bedämpft die gleiche Abstimmung, während 50 Liter unbedämpft eine höhere Abstimmung ergeben. Die beiden unbedämpften Abstimmungen besitzen dabei fast die gleiche Verlustgüte, was in einer nahezu gleichen mechanischen Güte seine Entsprechung findet.

   

Füllgrad fs Qt Qe Qm
60 l / 0 %
50 l / 0 %
50 l / 100 %
49 Hz
51.5 Hz
49 Hz
0,39
0,41
0,39
0,47
0,49
0,48
2,46
2,49
2,06

    

Trotz gleicher Abstimmung bei 60 Liter unbedämpft und 50 Liter bedämpft sind die Verluste im bedämpften Gehäuse größer und das zeigt seine Wirkung in einem um 0,5 dB geringeren Pegel bis ca. 200 Hz. Dieser Wirkungsgradverlust ist akzeptabel und kann bei der Realisierung einer Box problemlos in Kauf genommen bzw. berücksichtigt werden.

    

Fazit:

Ein geschlossenes Gehäuse kann locker mit Dämpfungsmaterial gefüllt werden. Dadurch werden stehende Wellen im Gehäuse wirksam unterdrückt und das Boxenvolumen virtuell 20 % größer. Das resultierende kleinere Gehäuse bzw. die tiefere Abstimmung wird dabei mit einem Wirkungsgradverlust im Bereich der Resonanzfrequenz erkauft. Eine Matte Dämpfungsmaterial von VISATON ist ausreichend für ca. 10 Liter Boxenvolumen. Einen guten Kompromiß zwischen wirksamer Unterdrückung störender Resonanzen im Gehäuseinneren und einem minimalen Pegelverlust stellt ein Füllgrad von 80 % - 100 % dar. Das Gehäuse wird möglichst gleichmäßig mit Dämpfungsmaterial gefüllt.