BR-Kanal-Abrundung vs. compound tapered waveguide

[Koaxfan]

Es gab meiner düsteren Erinnerung nach hier mal einen Baubericht über eine Box mit BR-Kanälen die in der Mitte trompetenförmig verengt waren, diese Bauweise ist teilweise als „compound tapered waveguide“ bekannt. Also ein doppeltes Horn oder ein mittig eingeschnürter BR-Kanal.
Fällt hier jemanden bitte der richtige Suchbegriff / das Fazit der Konstruktion ein? Ich suche und finde nix.

[stoneeh]

So in etwa?

[Koaxfan]

Danke! Ja, genau, alles was den BR-Kanal zur Mitte hin verengt und dann wieder aufweitet.

Von welchem Lautsprecher ist diese Zeichnung?

[stoneeh]

Flared Ports. Behandelt / untersucht u.a. in Maximizing Performance from Loudspeaker Ports, Salvatti, Devantier, Button, AES, 2002. Erkenntnis: vom Output her je nach Radius geraden Ports mit gleicher Öffnungsfläche entweder unterlegen bis leicht überlegen. Auf Deutsch, man muss sowas schon wirklich perfekt ausführen, um minimale Vorteile rauszuholen.

Das Bild in Frage ist ein grafischer Export eines 3D Plans einen KS28 von L'Acoustics, einer der bekannteren Hersteller für Beschallungstechnik. Das Gehäuse wurde computeroptimiert entworfen - man kann also unterstellen, dass bei diesem Produkt das Optimum aus dieser Bauart rausgeholt wurde.
Da das Produkt recht gehyped wird hat mich immer interessiert, was wirklich dahinter steckt, und hab ich mir deshalb mal ein Stück besorgt und ihm gründlich auf den Zahn gefühlt - insb. auch im Vergleich zu der selben Bestückung in einem Gehäuse mit grob den gleichen Eckdaten (Nettovolumen, Tuning, Portöffnungsfläche, ..). Ergebnis analog zu den Erkenntnissen des verlinkten AES Papers - wenn dann nur minimale Vorteile des trompetenförmigen Kanals.

[walwal]

https://jahonen.kapsi.fi/Audio/Papers/AES_PortPaper.pdf

Sehr lesenswert das hier:

https://www.comsol.de/paper/optimal-design-of-bass-reflex-loudspeaker-ports-81561

Fazit ist glasklar....

[stoneeh]

Ich weise für die Interpretation nochmal auf die Begriffe Öffnungs- vs. Innenfläche hin. Erstere stellt beim Gehäusedesign eher den limitierenden Faktor dar. Der als Beispiel gebrachte L'Acoustics Sub hat zB eine Innenfläche von ~1/4 sd - für einen traditionellen Port für PA-Anwendungen sehr wenig - aber mehr passt eben bei dem vorgegebenen optimalen Öffnungsradius nicht ins Gehäuse. Durch den Vorteil der optimalen Abrundung benötigt er aber auch keine größere Innenfläche, um mit einem geraden Port mit gleich großer Öffnungsfläche, aber deutlich größerer Innenfläche, gleichzuziehen.

Selbst auf die gleiche Innenfläche, welche beim flared Port in einer deutlich größeren Öffnungsfläche resultiert, bezogen, ist letzterer allerdings nicht immer in jedem Aspekt im Vorteil. Siehe das verlinkte AES Paper, Fig 32b. - beim Klirr bei Kleinsignal schneidet bei gleicher Innenfläche der gerade Port noch am schlechtesten ab, überholt bei steigendem Pegel aber alle flared Varianten, außer NFR 0.5. Also selbst auf eine fixe Innenfläche, was je nach Radius in einer vollkommen unpraktikablen Öffnungsfläche resultiert, ist Flaring nicht immer automatisch besser.


Nachtrag zum Bezzola / COMSOL Paper: der einzige wirkliche Vergleich, der angestellt wurde, war das erfassen von Portnoise. Der Einfluss der Portkompression bei Großsignal (s. wiederum verlinktes AES Paper), welcher bei verschiedenen Portvarianten unterschiedlich ausgeprägt ist, wurde nicht untersucht. Das hätte man aber schon alleine tun müssen, um sicherzustellen, dass beim Vergleich des Portnoise bei allen Varianten überhaupt der gleiche Pegel im Nutzbereich (d.h. um das Tuning des Ports) anliegt, nicht dass aufgrund Portkompression auch bei identer Verstärkerspannung ein unterschiedlicher SPL resultiert.

Wie im ersten Absatz bereits hingewiesen (Öffnungsfläche!), war zudem der am besten abschneidende (flared) Port außen 117mm Durchmesser groß, der schlechter abschneidende gerade Port lediglich 69mm. Der abgerundete "gute" Port hatte also eine 3mal so große Öffnungsfläche als der "schlechte" gerade. Na, große Überraschung, dass ersterer besser abschneidet.

Ebenso wurden bei den Hörtests isolierte Instrumente im Bassbereich verwendet. Dadurch wird gegenüber normaler Musik der hochfrequente Portnoise weniger vom Rest des Signals übertönt - nochmal, praxisfern, den Vergleich verzerrend.

Weiterer Kommentar erübrigt sich denke ich.

[JFA]

Nachtrag zum Bezzola / COMSOL Paper: der einzige wirkliche Vergleich, der angestellt wurde, war das erfassen von Portnoise. Der Einfluss der Portkompression bei Großsignal (s. wiederum verlinktes AES Paper), welcher bei verschiedenen Portvarianten unterschiedlich ausgeprägt ist, wurde nicht untersucht. Das hätte man aber schon alleine tun müssen, um sicherzustellen, dass beim Vergleich des Portnoise bei allen Varianten überhaupt der gleiche Pegel im Nutzbereich (d.h. um das Tuning des Ports) anliegt, nicht dass aufgrund Portkompression auch bei identer Verstärkerspannung ein unterschiedlicher SPL resultiert.

Direkt aus der langjährigen Praxis: die Portkompression ohne Turbulenzen ist vernachlässigbar. 10% Klirr sind weniger als 0,1 dB "Verlust", 20% sind 0,18 dB. Wichtiger ist da meines Erachtens nach der DC-Anteil, der den Arbeitspunkt des Chassis verschiebt und dann zu IMD führt. Dazu habe ich aber nie gesonderte Versuche gemacht, was ich inzwischen bereue.
Sobald Turbulenzen auftreten steigt die Kompression sprunghaft an und, eigentlich viel wichtiger, es gibt breitbandiges moduliertes Rauschen, und das ist massivst hörbar.

Lösungen: Querschnitt so groß wie möglich (senkt allgemein die Kompression und erhöht den für Turbulenzen notwendigen Pegel) sowie moderate Verrundungen (erhöht letzteres noch weiter). Verrungungen sind dabei wichtiger als Querschnitt. Pro-Tipp: zwei der Standard-HPxy-Rohre gleich ablängen und aneinander kleben (Panzertape drumzu). Die Simuliererei finde ich total interessant, aber gegenüber der Lösung lassen sich nur noch wenige Prozente realer Mehrwert finden.

[Koaxfan]

Danke an alle, das hat mir sehr geholfen und mit den vielen Quellen zusammengenommen ergibt sich doch ein recht stimmiges Bild.

[stoneeh]

Kurz noch Definitionen zu Portkompression, Klirr, und Portnoise beim BR (insb. @ JFA): Portkompression wirkt sich ähnlich wie (elektrisch-thermische) Powercompression aus, d.h. beschreibt schlicht einen Pegelverlust (in dem Fall um fb) bei größer werdender Eingangsleistung. Klirr beim BR hängt hauptsächlich davon ab wie gut der Resonator den Membranhub bei welcher Frequenz bedämpft. Portnoise, und da liegt das Bezzola Paper richtig (kann ich bestätigen, weil selbst von mir bereits mit selben Resultaten vermessen), sind hochfrequente Verwirbelungsgeräusche - komplett andere Baustelle.

Portkompression lässt sich am besten via einer Frequenzgangmessung mit energiedichtem Signal (Sinus(sweep), kein PN) bei Klein- vs. Großsignal feststellen, als auch veranschaulichen. Anbei genau das anhand eines 10" Tieftöners mittlerer Leistungsfähigkeit, 40 Hz Tuning, 1/8 sd Rohrport - rot Kleinsignal (3 Vrms @ 4 Ohm = ~2 Watt), schwarz Großsignal (25 Vrms = ~150 Watt); Kurven übereinander gelegt:



Wie wir sehen, um die Abstimmfrequenz des BR - also da, wo der Port schmalbandig Schall abgibt - bricht der Schalldruckpegel ein. Das ist Portkompression. Der Rest des Frequenzbereichs ist, wie man ebenso sieht, essentiell unbeeinträchtigt.

Um diese Messung in einen Höreindruck zu übertragen, setzt es natürlich ein Musiksignal voraus, das dem Testsignal entspricht. Wie es der Teufel so will, ist gerade das der Fall - während im Großteil des Frequenzspektrums Musik keine hohe Energiedichte aufweist, ist das im Tiefbass, also wo der BR üblicherweise seine Abstimmung hat, umgekehrt - Basslines bei elektronischer Musik sind essentiell Sinussignale, und gleiches gilt für zB Orgeln und Saiten von Bassgitarren bei Musik von "echten" Instrumenten.

Die Einschränkung von Portkompression beim hören ist also wie folgt: untere Noten der genannten Instrumente hören sich bei steigender Lautstärke im Relation zum Rest leiser, nicht mehr so druckvoll, souverän an.
Jedem das seine, aber ich persönlich finde das nicht nur ein bisschen, sondern äußerst störend - wenn ich laut höre, will ich dass es "schiebt", nicht dass grad dann dem Lautsprecher untenrum (im wahrsten Sinne des Wortes) die Puste ausgeht.


Hier schließe ich für meinen Teil ab, insb. weil a) der Thread "kurze Frage - schnelle Antwort" heißt, und man sich vll. der Symptome nicht einig ist, aber sehr wohl der Lösung - sowohl du (JFA), ich, als auch das AES Paper würden hauptsächlich eins empfehlen - ich zitiere aus letzterem:

Vast historical data and results herein suggest that the largest port area allowable by your design should be employed to keep air velocity down if low port compression and low distortion are desired.

Die bei Fullrange-Lautsprechern in den Übertragungsbereich rutschenden Porteigenresonanzen dann gezielt mit Absorbern o.ä. "absaugen"; alternativ, für Bastelfaule, auch mal anschaun wie ich das beim Ringversuch-Testobjekt gelöst habe (s. eben publizierte Auswertung).


Koaxfan: immer gerne.

[JFA]

Kurz noch Definitionen zu Portkompression, Klirr, und Portnoise beim BR (insb. @ JFA): Portkompression wirkt sich ähnlich wie (elektrisch-thermische) Powercompression aus, d.h. beschreibt schlicht einen Pegelverlust (in dem Fall um fb) bei größer werdender Eingangsleistung. Klirr beim BR hängt hauptsächlich davon ab wie gut der Resonator den Membranhub bei welcher Frequenz bedämpft.

Portkompression ist zeit-invariant. Powercompression ist zeit-variant.

Soll heißen: wenn ich nach 1h Betrieb den Pegel schlagartig erhöhe dann ist die Portkompression die gleiche, als wenn ich es nach 10 Minuten Betrieb mache. Bei Powercompression ist sie nicht die gleiche.

Soll anders heißen: Portkompression verletzt das "L" in LTI-System (Linear Time Invariant) und erzeugt daher Klirr (Nicht-"L"inear). Powercompression verletzt das "T" und erzeugt daher keinen Klirr.

Es gibt Wechselwirkungen zwischen beiden, natürlich.

Oh, BTW: es gab mal eine Beschwerde eines Kunden bzgl Strömungsgeräusche, der hatte eine Digitalisierung eines Orgelkonzertes auf Vinyl, und weil Filter der Teufels sind natürlich ohne Rumpelfilter erstellt. Da war so viel tieffrequentes Zeugs drauf, da hat jeder ventilierte Lautsprecher die Segel gestrichen, wenn man das in einigermaßen tauglicher Lautstärke gehört hat

[Koaxfan]

Das Thema ist jetzt mal abgetrennt.

Was ich nach dem Studium der Papers aber nie so einfach und nachbaubar (wir sind ein DIY Forum) empfinde sind die Größenverhältnisse:


Im Comsol-Paper bezieht sich das "3:1" Verhältnis auf die "Gesamtlänge des Ports incl. Flange" / "Minimaldurchmesser des Ports"? Ist Dc dieser Minimaldurchmesser, was ist De? Die Öffnung? Der Radius der Portkrümmung wie bei AES? hat der Port dann in der Mitte eine "gerade" Strecke (also klassisches BR-Rohr mit Flange vorne und hinten) oder ist es ein Kreis wie hier



Mir fehlt das sowas wie im AES-Paper:


Wobei ich hier auch nicht ganz klarkomme:


Warum steht da nicht einfach die FRS-Zahl? irgendwo steht "c und d sind so rund im die 0,5" - ist es ein Zufall, dass c den Flächenfaktor 2 hat aber ich mich bei der Berechnung erstmal nur an den Krümmungsradius setzen sollte?

Des weiteren:



Dank S/W sind oft die Kurven kaum unterscheidbar, hier schon. Hieraus kann ich jetzt ad hoc keine klare Überlegenheit der FRS0,5 Konstruktionen gegenüber der EL-Variante erkennen, was habe ich übersehen?

Generelle Punkte:
1. Ich möchte ein durchgehend gekrümmtes BR-Rohr nicht komplett in den gleichen Topf werfen mit einem BR-Rohr das vorne und hinten gekrümmt ist.
2. Ich möchte differenzieren zu welchem Zweck man das macht: Will man z.B. mit einer solchen Konstruktion die Rohreigenfrequenz gerade so hoch schieben damit sie nicht mehr stört oder will man bei höchsten Pegeln den Verlust minimieren?
3. Welches Versuchs-Setup passt? Wenn ich mir das Port Velocity Setup und die gemessenen Geschwindigkeiten anschaue, dann sind wie hier weit von den empfohlenen 1/4Sd als absolutes Minimum entfernt Aus akademischer Sicht garantiert ok, für meine tatsächliche Umsetzung eher informativ.

Bitte nicht falsch verstehen, ich habe mich mit den Papers durchaus beschäftigt, habe das Gefühl eines konsistenten Gesamtbilds zu haben, aber wenn ich jetzt für eine konkrete Box ein konkretes BR-Rohr berechne, dann fällt es mir schwer, diese empfohlenen Verhältnisse in die Praxis umzusetzen.

[walwal]

Die Berechnung der Rohrlänge (für eine gewünschte Abstimmung) mit Trompetenenden ist knifflig bis unmöglich, Da hift wohl nur testen und messen. Die Krümmung an den Enden ist ja durch dieses Papier unstrittig. Ich finde, das PDF am hilfreichsten:

https://www.comsol.de/paper/download/679321/bezzola_acoustics_presentation.pdf

[Koaxfan]

Genau aus diesem ist der erste Screenshot. Vielleicht hast Du es verstanden: Was ist Dc und was bedeutet 3:1? "Design ‘optimal’ ports of different 𝐿/𝐷0 aspect ratios" klingt super aber was ist Do? Ich finde keine erklärende Skizze und/oder Profilzeichnung.

[walwal]

Das hier?

[Koaxfan]

Genau diese Skizze wäre mit a) Maßen und b) Bezeichnungen (was ist Do, was ist Dc, etc) echt hilfreich. Natürlich kann ich mir da was zusammenreimen - ob es das ist, was gemeint war, ist offen.

[JFA]

Direkt aus der Quelle:

Dc is the
central (minimal) diameter, De is the diameter at port
exit (without blend radii applied), Rb is blend radius
at port exits

Achso, und zum Entwurf: iterativ über CAD und Akabak. Startpunkt ist ein gerades Rohr mit Dc als Durchmesser, Länge so dass die Abstimmfrequenz passt (tendenziell etwas drunter). Und Dc schon so groß wie möglich wählen.

[walwal]

Genau diese Skizze wäre mit a) Maßen und b) Bezeichnungen (was ist Do, was ist Dc, etc) echt hilfreich. Natürlich kann ich mir da was zusammenreimen - ob es das ist, was gemeint war, ist offen.

Die Masstabelle ist am Ende des PDF.

[Koaxfan]

Die Masstabelle ist am Ende des PDF.

Nochmal: Diese Tabelle ist doch genau das was ich oben eingefügt habe. Alles nice, Dc ist 59mm, De ist was? Do ist wo gemessen?

Alles was da steht ist wohl gelesen und hier sogar per Screenshot eingefügt, ändert alles nix dran, dass es mit diesen Nicht-Angaben so nicht nachbaubar ist.

Klar kann ich mir etwas zusammenfabulieren und irgendwo reinzeichnen wo ich die Messung vermute - ist aber irrelevant was ich vermute, wichtig wäre nur, wo Samsung gemessen hat. Und genau das habe ich weiterhin nicht gefunden. Und so lange ich das nicht weiß, kann es nicht in die Praxis umsetzen.

[walwal]

De ist der Portdurchmesser.

Do bleibt rätselhaft, wird in einer Formel erwähnt mit 59 mm....

[Koaxfan]

Ja und "Do" ist der maßgebliche Faktor für die sagenumwobene 3:1 Formel. Auch beim Öffnungsdurchmesser gibt es ein paar mehr Möglichkeiten das zu messen, deshalb habe ich ja die Tabelle aus dem AES-Paper reingepackt udn die Zeichnungen wo man sieht "das was angegeben ist, ist der Radius und ans Ende kommt eh nochmal ne 12mm Rundung".

Bitte nicht falsch verstehen, ich finde diese Paper ja super - und versuche dann eben, sie umzusetzen und dann hakt es ganz schnell. Klar, man kann diese Paper als Aufsatzpunkt für eine eigene AKABAK-Simulation sehen, da sind wir dann ganz schnell ganz weit weg von einem (hier nicht verwendeten aber in anderen Diskussionen schnell mal hingeworfenen) "steht doch alles im Paper XYZ drin, muss man doch nur nachbauen".