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Baffle Step – Eine vereinfachte Erklärung

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Immer wieder taucht im Zusammenhang mit Lautsprecherentwicklungen der Begriff Baffle Step auf. Was ist das eigentlich, und worauf müssen wir bei der Entwicklung eines Lautsprechers im Hinblick auf den Baffle Step achten? In den folgenden Zeilen möchte ich dem Phänomen in vereinfachter und verständlicher Form auf den Zahn fühlen, es durchleuchten und aufzeigen, wie man ihm in der Praxis sinnvoll entgegenwirken kann.

Übersetzt man den englischen Begriff „Baffle Step“ wortwörtlich ins Deutsche, hat man es mit der „Schallwand Stufe“ zu tun. „Durch die Schallwand verursachte Stufe im Amplitudengang einer Lautsprecherbox“ beschreibt es allerdings ein wenig besser.

Wie kann aber eine schnöde Schallwand den Amplitudenverlauf eines in ihr montierten Lautsprecherchassis beeinflussen?

Dazu muss man wissen, dass ein Lautsprecher den Schall wellenförmig abstrahlt. Man spricht auch von Schallwellen. Die Länge dieser Schallwellen hängt von der abgestrahlten Frequenz ab und errechnet sich nach folgender Formel:

l = λ / f  (Wellenlänge = Schallgeschwindigkeit / Frequenz)

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Die Schallgeschwindigkeit beträgt rund 340 Meter pro Sekunde. Aus obiger Formel errechnet sich damit z. B. für die Frequenz 340 Hz eine Wellenlänge von 1 Meter.

„Passt“ nun eine abgestrahlte Schallwelle noch auf die Schallwand, d. h. ist die abgestrahlte Welle kürzer als die Boxenbreite, wird die Energie der Schallwelle von der Schallwand reflektiert.  Man spricht von halbkugelförmiger Abstrahlung. Gleiches gilt natürlich auch für die Schallwandhöhe. Da diese in den seltensten Fällen gleich der Schallwandbreite ist, zeigt sich der Baffle Step nicht als steile Sprungstelle im Amplitudenverlauf, sondern als Bereich innerhalb dessen der Pegel um bis zu 6dB abfällt.

Werden die abgestrahlten Schallwellen mit abnehmender Frequenz länger und „passen“ nicht mehr auf die Schallwand, nimmt die Reflektion immer mehr ab, bis die Abstrahlung ab einem gewissen Bereich kugelförmig wird. Die beim Zuhörer ankommende Energie wird um bis zu 50% reduziert, womit eine Verringerung des Pegels um bis zu 6dB einhergeht.

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Abstrahlung halbkugelförmig bis kugelförmig

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Die obige Grafik zeigt ein vereinfachtes Modell von halbkugelförmiger bis zu kugelförmiger Abstrahlung. Das Modell bezieht sich auf absolute Freifeldbedingungen, die in einem Hörraum nicht eingehalten werden können. Reflektierende Flächen wie begrenzende Wände, sowie der Fußboden beeinflussen die Abstrahlung in entscheidendem Maße.

Um die Auswirkungen des Baffle Step zu visualisieren habe ich ein weiteres Modell vorbereitet, welches ein Chassis mit einer 10cm durchmessenden Membran und einem theoretisch idealen Amplitudenverlauf in einer unendlichen Schallwand zeigt. Die Abstrahlung erfolgt also durchweg halbkugelförmig. Es findet kein Abfall zu tiefen Frequenzen hin statt.

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 Ideales Chassis mit 86,6dB Kennschalldruck in unendlicher Schallwand

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Verändert man die Schallwand nun dahingehend, dass die Größe wohnzimmertauglich wird, verändert sich auch der Amplitudenverlauf.

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Ideales Chassis mit 86,6dB Kennschalldruck in Schallwand 100 x 16cm auf 90cm mittig eingebaut

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Wir sehen, dass die Amplitude oberhalb eines „kritischen Bereichs“ um den Baffle Step mit 86,6dB weiter verläuft. Unterhalb des kritischen Bereichs nimmt die Amplitude, wie weiter oben bereits beschrieben, um bis zu 6dB ab. Dieser Prozess verläuft schleichend über einen gewissen Frequenzbereich, genauso wie sich auch die Abstrahlung schleichend von halbkugelförmigem zu kugelförmigem Verhalten verändert.

Zusätzlich zu den Auswirkungen des Baffle Steps zeigt die Grafik eine weitere Besonderheit. Im Bereich zwischen etwa 800 und 3000 Hz zeigt sich eine Überhöhung im Amplitudenverlauf, die über den Bezugspegel des Chassis von 86,6dB hinaus geht. Es handelt sich Effekte, die durch Kantendiffraktion hervorgerufen werden, und auf die in dieser Abhandlung nicht näher eingegangen wird. Es wird dazu zu gegebener Zeit ein separates Thema geben. Fakt ist, dass diese Effekte immer auftreten, sobald ein Lautsprecherchassis in ein wie auch immer geartetes Gehäuse geschraubt wird…

Es bedarf keiner besonderen Vorstellungskraft, dass ein unbehandelter Baffle Step zu einem getrübten Klangerlebnis führt. Also sollte man etwas dagegen tun um Wohlklang herzustellen. Aber muss man das wirklich? Radio Eriwan würde diese Frage mit einem klaren „Im Prinzip ja…“ beantworten. Es kommt nämlich wie immer darauf an,  für welchen Zweck der zu konstruierende Lautsprecher gedacht ist, und wie sich die Möglichkiten der späteren Aufstellung gestalten. Wie bereits erwähnt, verläuft die aus dem Baffle Step resultierende Veränderung innerhalb eines größeren Frequenzbereiches, und auch die angrenzenden Wände sowie der Fußboden nehmen Einfluß. Ist eine sehr wandnahe Aufstellung der Lautsprecher geplant, schlimmstenfalls sogar in Raumecken, erscheint es sinnvoll, den Baffle Step nur maßvoll bis gar nicht zu kompensieren. Die vermeintlich fehlende Energie zu tieferen Frequenzen hin wird in solchen Fällen durch die Aufstellung abgemildert und ggfs. sogar komplett kompensiert. Gleiches gilt für meist sehr flach konstruierte Wandlautsprecher, die sich möglichst unauffällig in den Wohnraum integrieren sollen. Hier bildet die Wand an der sie hängen quasi eine unendliche Schallwand nach. Die vollständige Entzerrung des Baffle Steps führte in einem solchen Fall zu einer deutlich überzogenen und somit unnatürlich starken Basswiedergabe. Je freier die Lautsprecher jedoch aufgestellt werden können, desto mehr sollte man den Baffle Step entzerren. Besonders kleinere Lautsprecher mit ihrer naturgemäß nicht ganz so tiefen Basswiedergabe profitieren ganz erheblich von einer Entzerrung.

Hat man sich wegen der gegebenen Aufstellungsbedingungen oder des persönlichen Geschmacks dazu entschieden den Baffle-Step in seinen Lautsprecherboxen ganz oder teilweise zu kompensieren, stellt sich die Frage, wie man dies sinnvoll bewerkstelligen kann.

Ganz besonders wichtig ist die Entzerrung des Baffle Steps bei Breitbandlautsprechern. Im Gegensatz zu Mehrwege-Lautsprechern, bei denen die Entzerrung oft unbemerkt und vielleicht ohne weiteren Bauteileaufwand in die Auslegung der einzelnen Weichenzweige einfließt, geben sie das gesamte Frequenzspektrum mit einer einzigen Membran wieder. Lässt man bei einem Breitbandlautsprecher den Baffle Step unbearbeitet, führt das in 99,9% aller Anwendungen zu mittenlastigem und trötigem Klang. In diesem Zusammenhang weise ich auf die erstklassige ANLEITUNG zur Entzerrung von Breitbandlautsprechern meines Entwickler-Kollegen Gazza hin. Hier findet der interessierte Neuling alles Wissenswerte für eine erfolgreiche Beschaltung.

Bei 2-Wege Konstruktionen ist ein Eingriff mit zusätzlichen Bauteilen ebenso meist Pflicht. Zu groß sind die Übertragungsbereiche der 2 Chassis, um die Kompensierung ohne zusätzliche Bauteile zu bewerkstelligen. In seltenen Fällen gelingt zwar auch dies, aber das ist eher die Ausnahme. Bei einer klassischen 2-Wege Auslegung mit üblichen Trennfrequenzen ab etwa 1,5kHz fällt der Baffle Step in den Arbeitsbereich des Tiefmitteltöners. Das Beispiel eines recht gutmütigen 5 Zöllers zeigt bei quasi lehrbuchmäßiger Beschaltung 2. Ordnung und Linearisierung der zu höheren Frequenzen ansteigenden Impedanzkurve folgendes Verhalten:

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5 Zoll Chassis impedanzlinearisiert mit Tiefpass 2. Ordnung

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Tiefpass 2. Ordnung mit Impedanzlinearisierung

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Durch die Wirkung des Baffle Step verliert der TMT schleiched an Pegel. In diesem Beispiel sind es sogar etwas mehr als die rechnerischen 6dB. Das liegt daran, dass es sich bei dem TMT natürlich nicht um ein ideales Chassis mit konstant glattem Amplitudenverlauf handelt und durch die weiter oben angesprochene Kantendiffraktion. Um den Baffle Step zu kompensieren sind also weitere Bauteile notwendig. Im einfachsten Fall funktioniert das mit einem einzigen Saugkreis, der sich aus einer Reihenschaltung aus einer Spule, einem Kondensator und einem Widerstand zusammensetzt, und der hinter dem eigentlichen Tiefpass parallel zum Chassis geschaltet wird. Bei unserem gutmütigen Chassis reicht diese Maßnahme, um ihm zu einem mustergültigen Amplitudenverlauf zu verhelfen.

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5 Zoll Chassis impedanzlinearisiert mit Tiefpass 2. Ordnung und zusätzlichem Saugkreis

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Tiefpass 2. Ordnung mit Impedanzlinearisierung und zusätzlichem Saugkreis

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Der resultierende Amplitudenverlauf wird mit einem sauber angekoppelten Hochtöner zu einem einwandfreien Hörerlebnis beitragen.

Plant man einen F.A.S.T. Lautsprecher mit niedriger Trennfrequenz aufzubauen, verschiebt sich der Baffle Step meist in den Arbeitsbereich des beteiligten Breitbänders. Das folgende Beispiel zeigt einen 3 Zoll Breitbänder mit Hochpass 2. Ordnung jedoch ohne Korrekturmaßnahmen:

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3 Zoll Breitbänder mit Hochpass 2. Ordnung ohne Korrekturschaltung

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Sehr deutlich sind die Auswirkungen des Baffle Step (und der Kantendiffraktion) ersichtlich. Natürlich weist auch der Breitbänder keinen ideal glatten Amplitudenverlauf auf, so dass sich zusätzlich weitere Unregelmäßigkeiten einstellen.

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Hochpass 2. Ordnung ohne Korrekturschaltung

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Um die zwingend notwendige Korrektur vorzunehmen, kann man sich wahlweise eines Sperrkreises oder eines Saugkreises bedienen, wie es schon im vorigen Beispiel beim TMT der Fall war.  Ein Sperrkreis besteht ebenfalls aus einer Spule, einem Kondensator und einem Widerstand, welche parallel geschaltet werden. Dieser Sperrkreis wird dann in Reihe zum Chassis geschaltet. In unserem Beispiel habe ich jedoch ebenfalls einen Saugkreis gewählt, da dieser durch geschickte Wahl der Bauteile dazu führt, dass die kleine Senke oberhalb des Baffle Step Buckels ein wenig aufgefüllt wird. In der Praxis gilt es zu versuchen, welche der beiden Möglichkeiten zum besseren Ergebnis führt.

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3 Zoll Breitbänder mit Hochpass 2. Ordnung und Saugkreis

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Auch hier ist das Ergebnis sehr gut und wird mit einem entsprechend beschalteten TMT zu einem klanglich einwandfreien Ergebnis führen.

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Hochpass 2. Ordnung mit zusätzlichem Saugkreis

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Eine weitere Möglichkeit dem Baffle Step auf den Zahn zu fühlen ist die Konstruktion eines 2,5 Wege Lautsprechers. Ein solcher bietet, neben der einfachen Möglichkeit den Baffle Step zu kompensieren, einen weiteren interessanten Vorteil. Beraubt man bei einem klassischen 2 Wege Lautsprecher den TMT ab einer gewissen Frequenz um bis zu 6dB, geht man bei einer 2,5 Wege Box den umgekehrten Weg. Hier wird der Bereich unterhalb des Baffle Steps einfach mittels eines zweiten, gleichen Chassis aufgefüllt. Dazu bildet man für einen der beiden identischen TMT, in der Regel den direkt unterhalb des Hochtöners befindlichen,  einen klassischen Tiefpass, ohne den Baffle Step zu kompensieren. Den Tiefpass des zweiten, in der Regel unteren, TMT dimensioniert man so, dass das Chassis unterhalb des einsetzenden Baffle Steps aus dem Rennen genommen wird. Bei geschickter Abstimmung führt die Addition der einzelnen Amplitudenkurven zu einem insgesamt glatten Amplitudenverlauf bis zur Trennfrequenz zum Hochtöner. Vorteil einer solchen Konstruktion ist der bis zu 6dB höhere Kennschalldruck.

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Zwei 5 Zoll Chassis mit unterschiedlichen Tiefpässen 2. Ordnung und Impedanzlinearisierung

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Die obige Grafik verdeutlicht die Funktionsweise einer 2,5 Wege Beschaltung. Der Baffle Step bleibt schaltungstechnisch unberührt. Die Korrektur wird durch ein zweites Chassis vorgenommen, welches den verlustbehafteten Bereich auffüllt. Der Kennschalldruck des Lautssprechers wird so um bis zu 6dB angehoben. Durch den teilweisen Parallelbetrieb der Chassis verläuft die Impedanzkurve in diesem Bereich etwa auf halbiertem Niveau. Deswegen kommen für diese Konstruktionsweise nur Chassis mit einer Nennimpedanz ab 8 Ohm infrage.

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Zwei unterscheidlich dimensionierte Tiefpässe 2. Ordnung mit  Impedanzlinearisierung

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Die unterschiedlich dimensionierten Impedanzlinearisierungen wurden bewusst gewählt. Sie bieten eine gute Möglichkeit, die Form der Flanke zum Hochtöner im Detail zu optimieren.

Bei der Umsetzung der obigen Varianten in eigenen Entwicklungen wünsche ich viel Erfolg und vor allem viel Spaß.