Ein Subwoofer [] ist ein spezieller Lautsprecher, der von seiner Konstruktion her für die alleinige Wiedergabe tieffrequenter Schallwellen, dem so genannten Bass, konzipiert ist.
Subwoofer kommen vorwiegend bei Beschallungsanlagen auf Großveranstaltungen, in Diskotheken, im Kino, in PKW-Audioanlagen und als Komponenten von Heimkinoanlagen zum Einsatz.
Technischer Aufbau
Man unterscheidet aktive Subwoofer mit eingebauter Verstärker-Endstufe und passive Subwoofer, die wie übliche Lautsprecher von einem separaten Verstärker getrieben werden. Letztere kommen eher in Diskotheken und Autos vor, während im Hi-Fi- bzw. Heimkinobereich oder auch bei Soundsystemen für Computer praktisch nur aktive Subwoofer gebräuchlich sind.
Der Subwoofer kann auf zwei Arten mit Signalen versorgt werden:
- Über eine Frequenzweiche, die aus den Signalen für die restlichen Lautsprecher die niederfrequenten Anteile für den Subwoofer filtert und den anderen Lautsprechern die restlichen Anteile weiter reicht. Eine typische Übergangsfrequenz im Heimkino-Bereich liegt hier zwischen 80 und 100 Hz, eine höhere Trennung macht den Subwoofer ortbar.
- Der Subwoofer bekommt ein eigenes Signal aus dementsprechend mehrkanaligen Audioquellen geliefert, was das Herausfiltern eines tieffrequenten Signals aus den anderen Kanälen erübrigt. Ein Beispiel für solche Audioquellen sind Dolby Digital oder DTS, die neben den fünf oder mehr Surround-Kanälen auch einen separaten Low-Frequency-Effect-Kanal, genannt LFE für den Subwoofer bietet. Dieser Effektkanal hat nichts mit den zusammengefassten tiefen Frequenzen zu tun, die es bei einem Billig-Satelliten-Lautsprechersystem gibt.
Der eigentliche Lautsprecher des Subwoofers wird als Chassis bezeichnet. Verschiedene Gehäusekonstruktionen und -prinzipien, z. B. mit einem Bassreflexkanal, bringen es mit sich, dass jeder Subwoofer seine eigene Basscharakteristik aufweist.
Üblicherweise ist das Chassis des Subwoofers größer als 16 cm. Es gibt im Handel durchaus auch kleinere als Subwoofer bezeichnete Geräte, diese dienen aber in der Praxis eher als Unterstützung für bassschwache Minisatellitensysteme.
Die größten marktüblichen Subwoofer haben Korbdurchmesser von 38 bis 45 cm (15 bis 18 Zoll). Der größte Subwoofer der im Hifi-Bereich Verwendung findet ist das 80cm-Chassis (31,5 Zoll) FW800N von Fostex (Datenblatt, pdf). Für Car-Hifi-Anwendungen und als Showgeräte werden teilweise Subwoofer mit bis zu 85 cm Durchmesser (34 Zoll) in Kleinserie oder auf Bestellung gefertigt. Der größte real existierende Subwoofer dürfte eine Einzelanfertigung aus dem Umfeld des Car-Hifi Herstellers MTX Audio mit einem Membrandurchmesser von etwa 2 m sein.
Die Tiefbass-Wiedergabe wird maßgeblich durch den Durchmesser und den Hub des Chassis bestimmt. Erst eine ausreichende Dimensionierung beider Größen führt zu großen möglichen Lautstärken.
Übliche Subwoofer haben einen linearen Hub bis etwa 3 cm, auf dem Markt sind aber auch Modelle bis 9 cm für extreme Tiefbassanwendungen erhältlich.
Um hohe Tieftonpegel zu erreichen, werden transportable Subwoofer als Horngehäuse mit mehreren großen Chassis (15 bis 18 Zoll) ausgeführt. Subwoofer mit extrem großen Membranen haben hier auf Grund von konstruktiven Problemen, z. B. der Zentrierung der Membran und der erforderlichen Magnetfeldstärke für den Antrieb, keine Bedeutung. Für PA-Anwendungen werden auch servobetriebene Subwoofer angeboten (Datenblatt Servodrive Basstech 7).
Bauformen
Nach Konstruktions-Prinzipien werden Direktstrahler-Subwoofer (auch Frontfire-Subwoofer genannt) und Bodenstrahler-Subwoofer (auch Downfire-Subwoofer genannt) unterschieden.
Direktstrahler-Subwoofer haben die Membran an der Vorderseite. Sie geben den Schalldruck primär an die Raumluft des Hörraums ab.
Bodenstrahler-Subwoofer geben einen Teil des Schalldruckes auch als Körperschall an den Boden des Hörraums ab. Durch die Nähe zum Fußboden wird der Reflexionsschall quasi Phasengleich wie der Direktschall erzeugt. Durch die Überlagerung wird der Wirkungsgrad gesteigert. Leider werden auch die vertikalen Raummoden stärker angeregt als bei Subwoofern die bei größerer Nähe zum Boden arbeiten - In vielen Räumen resultiert die gesteigerte Modenanregung in Dröhnen. Hochwertige (Frontfire-)Subwoofer oder Standlautsprecher haben oft mehrere (Bass-)Chassis übereinander um eine homogenere und dröhnfreiere Anregung des Raumes zu bewirken. Bei Frontfire-Subwoofern mit nur einem Chassis das in Bodennähe arbeitet finden sich ähnliche Verhaltensweisen wie bei Downfire-Subwoofern.
Die am häufigsten verwendeten Gehäusearten sind die geschlossene Bauform, das Bassreflexgehäuse sowie das Bandpassgehäuse.
Beim geschlossenen Gehäuse wird das Chassis luftdicht in einen Kasten eingebaut. Um eine zufriedenstellende Basswiedergabe zu erreichen, muss das Gehäuse ein relativ großes Volumen haben. Diese Bauform klingt oft am homogensten und hat bei guter Dämpfung eine bessere Impulstreue, sie hat allerdings den schlechtesten Wirkungsgrad.
Beim Bassreflex-Gehäuse bildet das Luftvolumen im Gehäuse mit der Luftmasse in der nach außen führenden Röhre (Bassreflexrohr oder Tunnel) einen Resonator (Helmholtz-Resonator). Das Bassreflexrohr wird auf eine Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz des Chassis abgestimmt, um den Frequenzbereich des Lautsprechers nach unten zu erweitern.
Beim Bandpassgehäuse ist das Chassis nicht mehr direkt an den Hörraum gekoppelt, da es in einem geschlossenes Gehäuse verbaut ist und in ein weiteres Bassreflexgehäuse abstrahlt (4th order Bandpass). Der Schall gelangt also nur durch Bassreflexröhren in den Hörraum. Dieser Subwoofertyp wird oft angewendet, da hier sehr vielseitige Möglichkeiten der Abstimmung bestehen. Auch ist das Chassis besser vor mechanischer Überlastung geschützt.
Alle diese Konstruktionen gehen allerdings auf Kosten der Klangqualität, da Bandpassgehäuse prinzipbedingt ein weit schlechteres Impulsverhalten aufweisen als direkt an den Hörraum gekoppelte Systeme.
Ein weiterer Vorteil dieser Bauform liegt darin, dass allein durch die Bauform ein Bandpassverhalten mit hohen Flankensteilheiten erreicht werden kann. Übliche Frequenzweichen haben eine Flankensteilheit von 6 bis 24 dB, Bandpassgehäuse erreichen bis zu 50 dB Flankensteilheit. Dadurch kann die Trennfrequenz bei Bandpassgehäusen höher gewählt werden, ohne dass der Subwoofer ortbar wird.
Die Fähigkeiten Tiefbass zu erzeugen schwanken je nach Größe des Raumes. Ist die Wellenlänge des Basses größer als der Raum passt das traditionelle Wellenbild nicht länger. Es mag für die bildliche Vorstellung hilfreich sein, wenn man sich die Druckerzeugung wie im inneren einer Fahrradpumpe vorstellt. Geschlossene Lautsprecher und Bandpasslautsprecher leisten hier hervorragendes und qualifizieren sich damit für kleinere Räume (wie z. B. Car-Hifi oder kleine Heimkinos). Bei den beliebten Bassreflexlautsprechern bildet sich durch das Bassreflexrohr ein akustischer Kurzschluss. Dieser Lautsprechertyp eignet sich nicht zum Druckaufbau und versagt hier beim Aufbau von Tiefbass.
Aufstellung
Tieffrequente Schallwellen unterhalb etwa 60 Hz sind vom menschlichen Gehör schwer lokalisierbar. Der Subwoofer kann daher theoretisch an beliebigen Stellen im Hörraum positioniert werden und harmoniert im Idealfall dennoch mit dem Geschehen auf der Leinwand oder dem Bühneneindruck der Musik.
Da Subwoofer in der Praxis in Abhängigkeit von der Flankensteilheit (typisch: 6 bis 24 dB/Oktave) der verwendeten Frequenzweiche aber auch höhere Frequenzanteile abstrahlen, sollte ein Subwoofer zwischen den vorderen Satellitenboxen in ungefähr gleichem Abstand wie diese zum Hörplatz aufgestellt werden, um ein optimales Klangbild zu erreichen.
Bei bestimmten räumlichen Gegebenheiten oder Aufstellorten können bei diskreten Frequenzen so genannte stehende Wellen entstehen. In diesem Fall heben sich z. B. die aus dem Subwoofer austretende Schallwelle und die von der Rückwand des Hörraumes reflektierte Schallwelle beim Aufeinandertreffen in bestimmten Zonen des Raumes gegenseitig auf bzw. verstärken sich an anderen Plätzen. Dieses Phänomen ist etwas zu vermindern, indem man den Subwoofer asymmetrisch zum Raum aufstellt. Auf keinen Fall sollte man den Subwoofer direkt in einer Raumecke oder direkt an einer Wand positionieren, was sich aber in Wohnräumen oft nicht vermeiden lässt. Faustregel: Mindestens 0,5 m, besser 1 m von allen Wänden entfernt aufstellen.
Subwoofer im Verbund
Es gibt besondere Verbundaufstellungen mehrerer Subwoofer, um störende Reflexionen im Hörraum auszuschalten. Häufig genannte Beispiele ist das Single Bass Array (SBA), das durch eine spezielle Anordnung Quer- und Vertikalmoden im Raum umgeht, dafür aber die Längsmode voll anregt. Das Double Bass Array geht noch weiter und nimmt durch eine zweite Subwooferanordnung eine aktive Absorption vor.
Literatur
- Vance Dickason: Lautsprecherbau. 4. Auflage, Elektor-Verlag, Aachen, 2007, ISBN 978-3-89576-116-4
- Götz Schwamkrug, Reiner E. Römer: Lautsprecher Dichtung und Wahrheit. 3. Auflage, Elektor-Verlag, Aachen, 1989, ISBN 3-921608-83-X
- Berndt Stark: Lautsprecher Handbuch. 7. Auflage, Richard Pflaum Verlag GmbH & Co.KG, München, 1999, ISBN 3-7905-0807-1
