F. Hausdorf - Herr Hausdorf ist technischer Leiter der Firma VISATON - erhalten von Professor Jens Hergesell -Stuttgart
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Bekanntlich besteht das Dilemma bei Baßboxen darin, daß man die Schallanteile auf beiden Membranseiten (vorn und hinten) voneinander trennen muß, da sie sich sonst ausgleichen würden (akustischer Kurzschluß) und in einiger Entfernung keine tiefen Töne mehr zu hören wären.

Die einfachste Lösung - die geschlossene Box - hat den Nachteil, daß durch das rückwärtige Volumen die Eigenresonanzfrequenz des eingebauten Lautsprechers zu stark ansteigt, wenn das Gehäuse nicht eine Mindestgröße hat.

Bei der Baßreflexbox legt die Membran auf ihrer Rückseite einen sogenannten Helmholtzresonator an, der - auf eine tiefe Frequenz abgestimmt - die Baßabstrahlung dort übernimmt, wo die geschlossenen Box dazu nicht mehr in der Lage ist.

Seit der Transmissionline handelt es sich ebenfalls um einen Resonator, der aber ganz anders arbeitet als eine Baßreflexbox. Hier wird in einem Rohr eine Luftsäule in Schwingung gebracht. Jedes Blasinstrument arbeitet nach diesem Prinzip. Insbesondere bei der Orgelpfeite liegt eine große Ähnlichkeit zur TL-Box vor.
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Die Erklärung liegt darin, daß für den Schall, der durch das Rohr wandert, ein abrupes Ende eine starke Störung des Ausbreitungsvorgangs bedeutet, so daß ein großer Teil im offenen Ende reflektiert wird. Das kann man sich vieleicht nicht ohne weiteres vorstellen, aber mathematisch läßt sich das eindeutig nachvollziehen.

Wenn also der Schall reflektiert wird, treffen hin- und rücklaufende Schallanteile zusammen, überlagern sich und bilden die bekannten Resonanzen, wie sie auch als Raumresonanzen zwischen zwei parallelen Wänden gefürchtet sind.

Im Gegensatz dazu haben wir aber hier auf der einen Seite ein geschlossenes und auf der anderen Seite ein offenes Rohrende. Es bilden sich immer dann Resonanzen, wenn die Bewegung der Luftteilchen (Schallschnelle) auf der geschlossenen Seite gleich null und am offenen Ende maximal ist (Bild 3a).
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Das hat folgenden Grund: Bild 4a zeigt, wie die Verhältnisse in der Realität sind. Mit einem Sondenmikrofon (Druckkapsel) wurde der Schalldruckverlauf bei der Grundresonanz in einem geraden Rohr (I = 2m) gemessen. Man kann erkennen, daß in einiger Entfernung vom Lautsprecher-Chassis der Schalldruck leicht ansteigt, um dann zum Rohrende hin stark abzufallen.

In der Theorie geht man von einem optimal geschlossenen Ende aus. Da aber die Membranmasse nicht groß genug ist, um diese Forderung zu erfüllen, bewegt sich die Membran bei der Resonanz etwas, und wir haben auf dieser Seite keine vollständige Reflexion.

Wenn wir uns die Schallschnelle ansehen (Bild 4b), die ja entgegengesetzt zum Schalldruck verläuft, sehen wir, daß der Lautsprecher abweichend von der Theorie bei der Resonanz eine Bewegung ausführt. Höhere Frequenzen werden besser reflektiert.

Dadurch stimmen die Meßergebnisse genauer mit der Berechnung überein. Tatsächlich haben Versuche mit extrem leichten Membranen gezeigt, daß die Grundresonanz bei gleicher Rohrlänge höher liegt und flacher verläuft. Daraus kann man schon die Regel ableiten, daß Lautsprecher-Chassis mit relativ schweren Membranen für Transmissionline-Boxen vorteilhaft sind.
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Bild 5 läßt schon ahnen, welche Probleme noch auf uns zukommen. Hier ist nämlich das Ausschwingverhalten eines einmal gefalteten Rohres mit 2,7m Länge und 15cm Durchmesser gemessen worden. (Die Faltung hat auch ohne Umlenkungsbretter am Knick keine negativen Auswirkungen gegenüber einem gestreckten Rohr ergeben.)

Auf der vorderen Achse ist im linearen Maßstab die Frequenz aufgetragen, die Zeit läuft von hinten nach vorn und die Amplitude kann man senkrecht im logarithmischen Maßstab ablesen. Diese dreidimensionale Darstellung (3D-Zerfallspektrum) ist nichts weiter als eine Ansammlung der üblichen Frequenzgänge, allerdings kurz hintereinander gemessen.
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Das klingt zwar einfach, ist aber nur mit einem äußerst komplizierten Meßverfahren zu verwirklichen. Es werden in Bild 5 nur die ersten vier Resonanzen erfaßt (während in Bild 6a die ersten zehn Resonanzen im logarithmischen Maßstab dargestellt sind), wobei der Ausschwingvorgang der 2., 3. und 4. Resonanz augenscheinlich sehr viel länger dauert als bei der ersten, nämlich ca. 1 s(!) bis sie unhörbar (auf -60 dB) abgeklungen sind.

So interessant das alles aussieht, so scheußlich klingt es ! Man wird eher an ein unterirdisches Kanalsystem erinnert als an eine Hi-Fi-Box. Um das zu vermeiden, muß man das Kunststück vollbringen, die oberen Resonanzen durch Bedämpfung zu unterdrücken und dabei die 1. Resonanz so wenig wie möglich zu schwächen.
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Im Ausschwingverhalten zeigt sich auch der Erfolg. Im Vergleich zu Bild 5 sind die Ausschwingzeiten der unerwünschten Resonanzen in Bild 7 deutlich geringer geworden.

Bild 8 zeigt dasselbe wie Bild 7, nur in höherer Zeitauflösung. Man sieht, daß es gelungen ist, die 2. und 4. Resonanz völlig zu unterdrücken. Die dritte ist jedoch noch vorhanden. Man kann sogar gezielt eine bestimmte Resonanz bedämpfen, indem man sich ausrechnet, wo sich ihr erster Schnellebauch vom Lautsprecher aus gesehen befindet und dort einen dicken Pfropfen Dämpfungswolle plaziert, gewissermaßen einen Kloß, an dem die unerwünschte Resonanz ersticken soll.
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Die vorangegangenen Untersuchungen wurden hauptsächlich gemacht, um zu verstehen, wie die grundsätzlichen Zusammenhänge bei der Transmissionline sind. In der Praxis mischt sich aber immer der Primärschall der Membranvorderseite mit dem Schall, der vom Rohr abgestrahlt wird.

Es muß also die Summe (nach Betrag und Phase) gebildet werden. In aller Regel kann man davon ausgehen, daß Membranvorderseite und Rohröffnung nahe zusammen liegen im Vergleich zu den großen Wellenlängen der tiefen Frequenzen (30Hz = 11,4m).

Es spielt deshalb bei der Summenbildung kaum eine Rolle, wo sich die "TL"-Öffnung befindet. Nicht vernachlässigen darf man allerdings die Phasendrehung, die durch die Transmissionline selbst verursacht wird.

In Bild 9 ist die Phasenverschiebung zwischen Membranvorderseite und Rohrende der stark bedämpften TL (entsprechend Bild 6d) aufgetragen. Daraus geht hervor, daß im Bereich um die Grundresonanz, also bei 40 Hz, der rückwärtige Schall durch das Rohr so stark verzögert wird, daß er gleichphasig abgestrahlt wird und den Baßbereich verstärkt.

Bild 10 zeigt nun, ob sich der Aufwand eigentlich gelohnt hat. Strahlt der Lautsprecher in der TL-Box mehr Baß ab als eine vergleichbare geschlossene Box?

Um diese Frage zu beantworten, wurde die Rohröffnung fest verschlossen und das auf der gesamten Länge bedämpfte Rohr als geschlossene Box aufgefaßt und gemessen (Bild 10a).

Dann wurde Dämpfungswolle aus der 2. Hälfte entfernt und wieder eine Messung gemacht (Bild 10b). Die Mikrofonposition wurde nicht verändert. Es zeigt sich ein beachtlicher Gewinn von 4 dB bei 40 Hz. Allerdings zeigt sich auch, daß die oberen Resonanzen noch als Welligkeit im Frequenzgang durchschlagen.
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Bild 13 zeigt, daß dieser Lautsprecher für diese TL völlig ungeeignet ist. Einmal fällt der Baß viel zu früh ab, andererseits geht auch im Mitteltonbereich Wirkungsgrad verloren.

Ein Treiber mit höherem Q-Faktor (bei gleicher Membranmasse und gleicher Resonanzfrequenz bedeutet das einen schwächeren Antrieb!) hätte wieder einen drastischen Wirkungsgradverlust zur Folge.

Man kann es drehen und wenden, wie man will: ein akzeptabler Wirkungsggrad bei gleichzeitig tiefer Grenzfrequenz und ausreichender Bedämpfung der oberen Resonanzen ist mit dieser Transmissionline nicht zu machen.

Das gleiche Ergebnis läßt sich übrigens viel einfacher erreichen, wenn man den Treiber mit der schweren Membran in eine geschlossene Box mit gleichem Volumen (ca. 50 L) einbaut. Der -3dB-Punkt liegt dann auch bei ungefähr 30 Hz und außerdem kann die Welligkeit im Mitteltonbereich gar nicht erst entstehen.
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Nach diesem enttäuschenden Ergebnis besteht aber noch kein Grund zu resignieren. Die am häufigsten realisierten Bauformen der Transmissionline-Boxen weichen ja auch erheblich von dem einfachen Rohr ab.

In Bild 14 ist eine typische Gehäuseform dargestellt. Sie erinnert noch an das gefaltete Rohr, allerdings ist der Raum hinter dem Lautsprecherchassis bedeutend größer und wird zum Ende hin stetig kleiner.

Es wurde zunächst ein 25cm-Chassis mit niedriger Resonanzfrequenz, mittlerer Membranmasse und kleinem Q-Faktor eingesetzt.

fs = 19Hz
QTS = 0,26
Mma = 37g
VAS = 310 I
Bxl = 9,8 Tm

Es stellt sich nun die Frage, ob am Rohrende ein ähnlicher Schalldruckverlaul vorhanden ist wie in Bild 6a. Bild 15 zeigt, daß der Kurvenverlauf stark von Bild 6a abweicht.

Eine Grundresonanz bei ca. 35 Hz ist vorhanden, ebenfalls Resonanzspitzen mit ungefähr der 3fachen, 5fachen und 7fachen Frequenz.

Das könnte man mit der Lauflänge von 2,40 m in Einklang bringen. Positiv fällt auf, daß die schädlichen Resonanzen auch ohne Dämpfungswolle schon bedeutend schwächer vorhanden sind als in Bild 6a.

Man wird sie also viel leichter unterdrücken können. Offensichtlich sind aber die Verhältnisse nicht mehr so klar wie bei dem einfachen Rohr.

Der tiefe Einbruch bei 125 Hz und die zahlreichen Spitzen im Frequenzgang deuten auf stehende Wellen hin, die es ebenfalls zu bedampfen gilt.

Versuchsweise wird jetzt die Box umgebaut, indem das mittlere Brett näher zur Rückwand verlegt wird (in Bild 14 gestrichelt). Die Querschnittsfläche des TL-Kanals wird so verringert und das Volumen hinter dem Lautsprecher vergrößert.

Zur großen Überraschung sind bei beiden Gehäusevarianten die Impedanzkurven verschieden (Bild 18). Man kann erkennen, daß bei der kleineren TL-Öffnung die Impedanzspitze und der tiefste Punkt (P) jetzt bei einer tieferen Frequenz (P') liegen. Die Lauflänge der TL hat sich durch den Umbau der Box nicht geändert und trotzdem soll die Rohrresonanz sich verändert haben? Da stimmt offensichtlich etwas nicht!

So mißtrauisch geworden, fällt auch eine verdächtige Ähnlichkeit der Impedanzkurve mit der einer Baßretlexbox auf. Die Kammer hinter dem Lautsprecher könnte man als Volumen und die zweite Hälfte der Line als überdimensionale Baßreflexöffnung auffassen. So könnte man auch die Verschiebung der Impedanzkurve in Richtung tiefere Frequenzen erklären.

Denn wenn man bei einer Baßreflexbox das Boxenvolumen vergrößert, sinkt bekanntlich die Boxenresonanzfrequenz. Dasselbe geschieht bei Verringerung der Tunnelfläche. Durch den Umbau hat die Box also ein Verhalten gezeigt, wie man es von einer echten Baßreflexbox erwarten würde.

Andererseits hat eine Sondenmessung, durch die der Schalldruckverlauf bestimmt wurde, gezeigt, daß dieser für die Grundresonanz ganz ähnlich wie in Bild 4 verläuft. Das spricht ja wieder dafür, daß es sich jm eine Transmissionline handelt.

Wie dem auch sei: man hat es offensichtlich mit einer Mischform zu tun. Und je nachdem, wie die geometrischen Verhältnisse liegen, überwiegt wohl das eine oder andere Prinzip.
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In Bild 19 ist die typische Bauform einer Transmissionline-Box skizziert, wie sie sehr häufig gebaut wird. Hier hat man eine noch deutlichere Trennung des Volumens hinter dem Lautsprecher und dem Kanal, den man als Baßreflextunnel auffassen könnte.

Auch bei dieser Box ähnelt der Schalldruckverlauf an der Öffnung (Bild 20) den Verhältnissen der einfach gefalteten Line (Bild 15). Selbstverständlich müssen die starken Resonanzen im Mitteltonbereich wieder bedämpft werden. Dazu wird nicht nur das große Volumen, sondern auch der Kanal locker mit Wolle gefüllt.

Erwartungsgemäß gibt es gegenüber der geschlossenen Version eine deutliche Baßanhebung von 6dB bei 50 Hz (Bild 21), so daß es insgesamt zu einer Überhöhung in diesem Bereich kommt.

Diese Überhöhung kann man ohne weiteres durch eine stärkere Bedämpfung zügeln. Diese Maßnahme wurde sich auch positiv auf den Mitteltonbereich auswirken. In Bild 22 erkennt man nämlich noch starke Resonanzen, die das Ausschwingverhalten ungünstig beeinflussen.

Bild 23 zeigt das Spektrum der Box unter gleichen Meßbedingungen. aber mit fest verschlossener TL-Öffnung. Insgesamt ist das Ausschwingverhalten zwar deutlich besser geworden, aber zufriedenstellend kann man es noch nicht nennen.

Die unschöne Resonanz, die man voreilig dem TL-Prinzip in die Schuhe schieben könnte, ist bei der geschlossenen Version noch vorhanden. Es kann sich nur um Schwingungen der Boxenwände handeln, da beim Treiber allein diese Resonanzen nicht auftreten.

Die Messung in Bild 24, die ohne Gehäuse (Freiluft) im Nahfeld des Lautsprechers gemacht wurde, beweist das. Es ist auch kein Wunder, daß dieses Problem auftaucht, wenn man die Konstruktion der Testbox kennt : Die 19mm-Spanplatten ohne aufwendige Versteifungen sind für so ein großes Gehäuse einfach nicht ausreichend! (Es zeigt sich also wieder. wie wichtig eine stabile Konstruktion bei großen Boxen ist.)
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