Baubericht Ripol-Subwoofer

  • Posted on: 20 March 2013
  • By: hurz

Nach dem Bau der Heimkinoleinwand hatte ich mich Anfang des Jahres an ein weiteres Bastelprojekt gemacht: Zwei Ripol-Subwoofer.
Anders als die meisten konventionellen Konstruktionen (wie Closed Box, Bassreflex, Horn, etc.) handelt es sich beim Ripol um eine spezielle Form eines Dipolprinzips, patentiert von Axel Ridtahler. Eine Übersicht über verschiedene Konstruktionsmöglichkeiten gibt es recht anschaulich hier.

Ein paar Worte zum Ripol-Prinzip noch von mir:

Die gefaltete Schallwand eines Ripols ist in der Regel in Form eines W angeordnet in dem zwei Chassis gegenüber angeordnet sind (vgl. Bild im Link oben), er kann aber auch als halber Ripol (mit nur einem Chassi) in Form eines N konstruiert werden. Daraus resultieren einige Vorteile, aber auch Nachteile ggü. anderen Konstruktionen. 

So ergibt sich durch die kleine Frontöffnung und die hohe Auslenkung der Chassi-Membranen ein Druckkammereffekt der die Resonanzfrequenz der Chassis absenkt (anstatt sie wie bei anderen Konstruktionen zu erhöhen). Zudem löscht sich durch die Anordnung der Chassis und deren gleichphasige Ansteuerung der Schall auf deren Auslenkungsachse aus, so dass sich statt einer kugelförmigen Schallabstrahlung eine dipol-typische 8 ergibt mit einer Keule vor und einer hinter dem Subwoofer.

Da der rückwärtige Schall aber phasenverkehrt zum nach vorne abgestrahlten ist, löschen sich dessen Reflexionen mit den nach vorne abgestrahlten Anteilen teilweise aus, was eine geringere Anregung der Raummoden zur Folge hat. Somit ergibt sich eine zu allen Seiten gedämpte Basswiedergabe (was den Nachbarn evtl. zu Gute kommen dürfte), die aber leider auch nach vorne mit 6bB pro Meter in der Lautstärke abfällt. Ein weiterer Vorteil der exotischen Chassi-Anordnung ist die Impulskompensation, also die gegenseitige Auslöschung der Kräfte auf das Gehäuse, was zu sehr geringen Schwingungen führt.

Ein großer Nachteil dieses Prinzips ist der schwache Wirkungsgrad, was keine hohen Pegel erlaubt (für Wohnzimmerkinos aber auch meist nicht nötig) und der starke Pegelabfall mit dem Abstand.

Der Plan:

Die Ausgangslage mit dem SVS SB12+

Mit der Wohnzimmereinrichtung an der Fornt war ich bereits relativ zufrieden, ich fand aber dass sich der kleine SVS SB12Plus-Subwoofer etwas in den Massivholzmöbeln unter den Frontlautsprechern verlor, zumal ich auch nur einen hatte. Ich beschloss also den Freiraum dort besser zu nutzen und selbst Subwoofer einzubauen. Neben den oben genannten Vorteilen eines Ripols hatte ich mich auch deswegen für dieses Prinzip entschieden, weil es sehr wohnraumfreundlich ist und durch die an der Front fast unsichtbaren Chassis eher wie ein Möbel aussieht.

Für die Ripole selbst hatte ich Axel Ridtahler direkt kontaktiert. Er hat mich mit allerlei Informationen versorgt und mit ein Angebot für ausgewählte Chassis, zwei Korrekturschaltungen und einen Bauplan gemacht. Da ich das meiste aus dem vorhandenen Freiraum innerhalb des Möbels machen wollte (ca. 48x55x35 cm), hatte ich mich für einen gestapelten Doppelripol pro Seite entschieden, würde also insgesamt 8 Chassis benötigen. Jeweils zwei würden in Reihe und dann die zwei gestapelten Ripole parallel verschaltet werden. 

Für die "Innereien" war also gesorgt, fehlte noch das Wandmaterial und Kleinteile. MDF lag als Korpusmaterial nahe, da es gut zu verarbeiten und massiv (schwer) ist. Bei Verwendung von MDF würde sich aber die Frage stellen wie ich das Finish hinbekommen würde, v.a. da mir hochglanz-weißer Lack vorschwebte um mit dem restlichen Wohnzimmermobiliar zu harmonieren. Durch Glück im Unglück löste sich dieses Problem von selbst: Eines der gelieferten Wonzimmermöbel war auf der Front beschädigt. Ich durfte es behalten und bekam eine Ersatzlieferung, wodurch ich das beschädigte Möbel für mein Bauprojekt "ausschalchten" konnte. Der Korpus war passenderweise aus hochglanz-weiß lackiertem, 25mm dickem MDF gefertigt und bot 4 perfekte Ecken die ich für die Front der Ripole gut gebrauchen konnte:

Der intakte Korpus des beschädigten Möbels   Old-school Bauplan auf Millimeterpapier

Ich beschloss also diesen Korpus so sauber wie möglich zu zersägen um alle Wände für die Ripole zu erhalten. Ecken sollten größtenteils auf Gehrung gesägt und später verleimt werden, damit wenige hässlichen Schnittkanten sichtbar sind. Den Bauplan mit allen nötigen Maßen habe ich ganz altmodisch auf Millimeterpapier gekritzelt, kann aber die genauen Mße auf Grund Herrn Ridtahlers Patent nicht veröffentlichen.

Ich würde also pro Ripol-Stapel sieben dicke, vertikale Wandstücke benötigen und drei schmälere, horizontale Zwischenböden, die die drei Kammern jedes oberen Ripols vom unteren trennen sollen. Die zusätzlichen Deckel- und Bodenplatten würde ich benötigen, um eine Gesamthöhe von 53cm zu erreichen (nötig für die zwei Chassi-Durchmesser), weil der Möbelkorpus eine Tiefe von 50cm hatte. Für diese Böden sowie eine große Gesamt-Bodenplatte sollte ich praktischerweise die Einlegeböden des recycleten Möbelstücks verwenden können und so nochmal einen Kontrast zwischen jedem Ripolstapel und dem Boden schaffen. Dazu aber weiter unten mehr.

Baubeginn:

Das Projekt bot eine gute Gelegenheit, meine Heimwerker-Ausrüstung um ein weiteres sehr nützliches Werkzeug zu erweitern: Eine Handkreissäge. Mit ihr gelangen die Zuschnitte des lackierten MDF kinderleicht und sehr sauber, selbst die 45°-Gehrungsschnitte für die Verleimung in den Ecken. Nach dem ersten Zuschnitt der 14 senkrechten Teile war es an der Zeit für einen Probe-Aufbau:

Erstes Zusammenstellen der Zuschnitte

Das längere Rückenteil berücksichtigt den erwähnten Deckel und Boden jeder Ripolhälfte, wie später zu sehen sein wird. Die unangetasteten Ecken des alten Korpus machen sich gut an der Front und sind weit besser verarbeitet als ich es je in Eigenregie schaffen könnte. Fürs erste sah es also gut aus, die Zuschnitte passten. Es konnte also an die Kreisausschnitte und das Verleimen bzw. Verkleben gehen (Lack auf Lack bzw. Holz auf Lack lässt sich nicht leimen.

Aus den Flächen zur inneren Kammer hin musste ich, mangels passendem Fräskopf und weil ich noch mehr MDF-Staub vermeiden wollte, die großen Kreisausschnitte per Kreissäge vornehmen. Die kleineren Ausschnitte für die Magnete in der nächsten Zwischenwand wurden ebenso vorgenommen. Perfekt rund sind die Öffnungen nicht geworden, aber sie würden ja später von den Chassis verdeckt bzw. von außen nicht einsehbar sein.

Was das passende Verleimen betrifft habe ich für die Stoßverbindungen normale Holzdübel verwendet, für die Gehrungsschnitte Lamellos. Letztzere um die Kanten möglichst perfekt zu bekommen, obwohl sie auf der Rückseite des Subwoofers später eh nicht sichbar sind. So konnte ich die Parallelflächen jeweils einer Doppel-Ripolseite mit einem schmalen Zwischenbrettchen zum ersten Schritt zusammenfügen:

Eine Ripolhälfte entsteht

Nach dem Hinzufügen einer der schmäleren, äußeren Rückwände war ich neugierig wie sich die Chassis probeweise in den Ripol einfügen. Wie man im Folgenden sieht ist der Platz für die Größe der Chassis sehr knapp bemessen, was dem oben beschriebenen Prinzip des Ripols zu verschulden ist. Dies führt auch dazu, dass die Magnete der Chassis durch die Außenflächen des Ripols geführt werden müssen.

Probeweises Einsetzen der Chassis

Diese Art des Einbaus führt zu einem weiteren Problem: Um den nötigen Druck für eine saubere Basswiedergabe in dem kammern erzeugen zu können, müssen alle Öffnungen bis auf die der jeweiligen Kammer selbst luftdicht verschlossen sein. Bei den Chassis-Ausschnitten habe ich dazu Fensterdichtband (tesamoll) verwendet. An allen Kanten wo Teile aufeinandertreffen habe ich zudem alle Fugen mit weißem Sanitärsilikon verschlossen. Das ergab nebenbei auch noch ein ansehnlicheres Finish.

Auf dem jeweiligen linken Seitenteil jedes Ripol-Stapels fand dann auch die Korrekturschaltung von Herrn Ridtahler platz, die einen ungewünschten Nebeneffekt des Ripol-Prinzips unterdrückt: Durch die gefaltete Schallwand und die kleinen Dimensionen der Kammern kommt es zu Gehäuseresonanzen im Bereich über 200Hz. Diese können so stark ausfallen, dass sie sich ohne Korrekturschaltung selbst bis in Musikpassagen um 100Hz hinunter bemerkbar machen können

Die später unsichtbare Außenseite mit Korrekturschaltung

Nach dem Anschrauben der kleinen Boden- und Deckenplatten und der Platzierung der Schaltung sowie einer unauffällig angebrachten Innenverabelung, konnten die Chassis final eingesetzt werden. Schließlich musste die mittlere Rückwand verleimt und in bzw. an ihr die Lautsprecher-Terminals und die elektrische Verbindung zur rechten Ripolseite angebracht werden.

Die linke Seite des Ripolstapels war somit fertig und konnte auf einen der Einlegeböden als Bodenplatte geschraubt werden. Die rechte Seite des Ripols habe ich auf diesselbe Art gebaut (ohne Korrekturschaltung) und zunächst beweglich neben der linken Seite platziert. Ein kleines Detail fehlte nämlich noch zur endgültigen Fixierung: Ein herausnehmbarer Mittelsteg um auch einmal den Ausbau eines Chassis zu erlauben. Auch hier habe ich zur Abdichtung der unvermeidlichen Fugen Fensterdichtband verwendet.

Rechte Hälfte und Bodenplatte

Integration in die Wohnmöbel:

Was nun noch zum Abschluss der Bauphase fehlte war die Integration der Ripole in ihre jeweiligen Gegenstücke, die Massivholzmöbel aus dem ersten Bild oben. Nun sollte sich zeigen wie genau ich geplant, gemessen und gebaut hatte. Nach einem ersten Test bestätigte sich was ich aus den Maßen schon ahnte: Die Gesamthöhe des Ripolstapels von etwa 53cm hinterließ eine unschöne Lücke in der 55cm hohen, lichten Höhe des Möbels.

Die Beine des Möbels mussten also kurzerhand gekürzt werden. Ein anschließendes Dämmen aller Verbindungsstellen des Ripols zum ihn umgebenden Möbel mit dem bereits bewährten Fensterdichtband sollte für eine leichte Entkopplung des sowieso schwingungsarmen Ripols vom Möbel sorgen, da auf der Geamtkonstruktion die Frontlautsprecher unbeeindruckt wie bisher spielen sollten. Nach einem knappen aber gut passenden Einbringen des Ripols in das angepasste Möbel und dem Anschrauben durch die Bodenplatte fehlte nur nach ein Bestücken der Bodenplatte mit Filzfüßen um die Konstruktion abzuschließen und mein Bastelprojekt zum ersten Mal vollständig begutachten zu können:

Der fertige linke Ripol mit dem alten SVS als Vergleich  

Der Vergleich mit dem bisherigem SVS-Subwoofer zeigt die recht imposante Größe des Doppelripols ohne jedoch zu auffällig zu wirken was er wohl der vorwiegend weißen Front und den fast unsichtbaren Chassis zu verdanken hat. Zusammen mit dem ebenso gelungenen rechten Ripolstapel konnte sich die neue Wohnzimmerfront nun sehen lassen. Ganz nebenbei ist aus übrigen Resten des beschädigten Wohnmöbels auch noch ein ganz ansehnliches Wandboard entstanden um die Front zu vervollständigen:

Die fertige Front

Klang und Optimierung:

Nun hatte ich die Ripole natürlich nicht vorwiegend wegen der Optik gebaut sondern hatte mir, im Vergleich zum bereits sehr guten SVS SB12+, einen "schnelleren", trockeneren Bass mit weniger Anregung der Raummoden (und evtl. Nachbarn) erwartet. Bereits die ersten Hörproben bestätigten dies und das Anhören von basslastiger Musik von der Nine Inch Nails über Massive Attack bis hin zu Kodo machte zunehmend Spaß. 

Aber in jedem Setup gibt es noch Optimierungsbedarf und weil ich die Performance des Ripols nicht nur subjektiv sondern auch objektiv einschätzen wollte, hatte ich mit einem Messmikrofon und entsprechender Software (REW, Arta) "bewaffnet" vor, einschlägige Messungen zu machen. Sollten diese Messungen noch deutliches Optimierungspotential offenbaren (z.b. was Raummoden und deren Nachhall betrifft), wollte ich mich der Korrektur des Frequenzgangs mittels einem DSP widmen.

Dazu entschloss ich mich für eine der günstigsten Einstiegsmöglichkeiten in die Aktivierung von Lautsprechern und Frequenzgangkorrektur mit parametrischen Equalizern: Das miniDSP 2x4 unbalanced. Da die beiden Subwoofer durch bestehende Endstufen meines AVR gespeist werden, musste ich mir also überlegen wie ich das miniDSP in das bestehende Setup geeignet einschleife und gleichzeitig eine Frequenzgang-Korrektur der Subs erlaube.

Prinzipiell hatte ich dazu zwei Möglichkeiten:
1) Nutzen des (einzelnen) Sub-PreOuts, der ja schon durch den AVR Tiefpass-gefiltert ist, also Verwendung des .1-Monosignals für beide Subs 
2) Abgreifen von den Front-PreOuts und Filterung der Frequenzen rein im miniDSP für ein .2-Stereo Setup der Subwoofer

Ich habe mich mich schließlich für Lösung 1) entschieden, weil es so gut wie keine Musik gibt, wo Bassanteile im Bereich unter 100Hz sauber in Stereo getrennt aufgenommen sind und auch wenn, sie nicht wirklich ortbar wären. Außerdem würde ein Abgreifen der Bassanteile von der Front-PreOuts keine Hochpassfilterung der Frontlautsprecher erlauben (sie müssten also auf "large" laufen). Lösung 1) erlaubt mir alle LS auf "small" einzustellen, so dass wirklich alle Frequenzen unterhalb der Trennfrequenz von 100Hz von der deutlich besser geeigneten Subwoofern übernommen werden und es zu keinerlei Interfrenzen und möglichen Überhöhungen bzw. Auslöschungen kommen kann.

Letztendlich sieht man Signalverlauf folgendermaßen aus: Die im AVR bei 100Hz getrennten Bassanteile werden am Sub-PreOut ausgelesen und über ein Y-Cinchkabel in das miniDSP geführt. Deren zwei Ausgänge sind an einen Stereo-LineIn des AVR angeschlossen (z.B. "Video" oder "CD") und schließlich über die Zone2-Funktion auf zwei freien Endstufen ausgegeben. Wichtig bei diesem Steup ist, dass die Lautstärken aller beteiligten Ein- und Ausgänge gut zusammenpassen, also dass die sog. "Gain-Structure" passt. 

Also habe ich mich mit einem Spannungsteiler und der Software Room Equalization Wizard (REW) daran gemacht, die elektrische Kette zunächst vom Sub-PreOut bis zu den Endstufenausgängen durchzumessen. Der Frequenzverlauf war wie erwartet linealglatt, die Lautstärken passten ganz gut und auch der Klirr war mit unter 0,1% (THD-N) niedrig genug, damit ich der gesamten Kette inkl. Messsystem (Macbook Pro Soundkarte) einigermaßen vertrauen konnte. Mittels eines lineal glatt korrigierten Messmikrofons habe ich mich dann an die eigentlichen, akkustischen Messungen gemacht. 

Zunächst interessierte mich der Frequenzgang der neuen Ripole im Vergleich zum SVS Subwoofer im Nahbereich, in einem Meter Entfernung und am Hörplatz. Wie man auf dem folgenden Bild sehen kann, verhalten sich beide Subs im Nahbereich wie erwartet:

Der aktiv entzerrte SVS (gelb) fällt an der unteren Eckfrequenz (ca. 25 Hz) mit etwa 28dB pro Oktave deutlich schneller ab und enthält auch einen Tiefpass-Filter zu den hohen Frequenzen hin. Der noch ungefilterte Ripol, gemessen vor der oberen, der unteren und mittig vor beiden Kammern, fällt dagegen flacher ab (ca. 10dB pro Oktave). Beide Subs zeigen erwartungsgemäß im Nahfeld eine nahzu linealglatten Frequenzgang. Das sollte sich bereits mit der nächsten Messung aus 1m Entfernung deutlich ändern:

Bereits in dieser geringen Entfernung merkt man wie deutlich der kugelförmig abstahlende SVS-Subwoofer (hier grün) die Raummoden anregt, gegenüber dem deutlich gutmütigeren, achtförmig abstrahlenden Ripol (gelb). Allerdings zeigt sich hier bauch bereits das größte Problem jedes Subwoofers nach Dipol-Prinzip: Ein zusätzlicher Lautstärke-Abfall von 6dB pro Oktave zu tiefen Frequenzen hin, verursacht durch Interferenz der rückwärtigen (phasenverkehrten) Schalls mit dem frontseitigen. Ripole eignen sich also vorwiegend in kurzem Abstand zum Hörplatz da sie schneller als die üblichen Direktstrahler leiser werden.  

Aus den Raummoden die der SVS anregt lassen sich übrigens sehr gut die Abmessungen des Hörraums herauslesen: 
- die Längsmode bei 19Hz (Raum ist nach hinten halb offen mit angeschlossener, offener Küche, insgesamt ca. 9m)
- die zweite Längsmode bei ca. 33Hz (halbe eingezogene Rückwand)
- die Quermode bei ca. 45Hz (3,8m Raumbreite)
- die 70Hz der Raumhöhe von etwa 2,45m

Diese Raummoden zeigen sich am Hörplatz noch deutlicher. Zur besseren Verdeutlichung der langen Abklingzeiten habe ich Wasserfall-Diagramme erstellt. Hieraus ist gut zu sehen wieviel besser der Ripol (grün) mit den Raummoden klar kommt und warum er den Ruf eines trockenen und "schnellen" Subwoofers hat:

 

An den Ripolen war also noch gehöriger Handlungsbedarf. Da aber das Gesamtsystem inkl. der restlichen Lautsprecher gut zusammenarbeiten sollte, erfolgten die Messungen zur Frequenzgang-Korrektur mit beiden Ripol-Türmen zusammen und schließlich im Stereoverbund mit den Frontlautsprechern. REW bietet hierfür die äußerst nützliche Möglichkeit einen Wunschfrequenzganz festzulegen und Parameter für das miniDSP-System zu exportieren. Dort importiert und auf die beiden Subwoofer-Kanäle angewandt zeigte sich bereits eine deutliche Verbesserung des ursprünglichen, hügeligen Frequenzgangs (gelb):

Stereo-Frequenzgang beider Ripole

Der initial korigierte Verlauf (blau) zeigte aber immer noch eine unschöne Überhöhung im Bereich der 45Hz-Quermode. Außerdem ließ der starke Abfall im Tiefbassbereich nicht so viel Heimkino-Spaß aufkommen. Ich legte also nochmal im Detail Hand an und mit einer aktiven Entzerrung bis 20Hz hinunter und einer weiteren Dämpfung der hartnäckigen Mode sowie einer leichten Anhebung im Übergabebereich zu den Fronts erreichte ich einen sehr zufriedenstellenden, finalen Frequenzverlauf (rot).

Im Zusammenspiel mit den Fronts (grün) kommen dann wieder Beeinflussungen durch Reflexionen von Boden, Decke und Wänden hinzu, die denn Verlauf wieder welliger machen, aber im Großen und Ganzen konnte ich zufrieden sein. Trotzdem werde ich im Bereich 110 Hz und 90 Hz noch einmal nachbessern. Die höheren Frequenzen werde ich dem Einmesssystem des AVR überlassen. Doch ein letzter Blick auf den vorläufig korrigierten Wasserfall zeigt bereits ein sehr gutes Verhalten des neuen 2.1-Stereo-Setups über alle tiefen Frequenzen hinweg mit - für einen recht schallharten Wohnraum - recht guten Abklingzeiten:

Ich konnte mit diesem DIY-Projekt und meinem neuen Bassbereich also vollstens zufrieden sein und genieße Musik und Filme in einer neuen Qualität. Nebenbei hat sich das Wohnzimmer auch visuell weiterentwickelt und sieht trotz der mächtigen, aber gut versteckten Membranfläche der acht Tieftöner sehr aufgeräumt aus.

Comments

[...] As i've already told you, my husband is a very talented handyman! He built these bass amplifiers (or whatever they are) by himself and if you are interested you can read (although i just noticed it's in german.. but he has also some nice pictures!) all about the process here. [...]