Subwoofer
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Ein Subwoofer [ˈsʌbˌwuːfə(ɹ)] ist ein spezieller Lautsprecher, der von seiner Konstruktion her für die alleinige Wiedergabe tieffrequenter Schallwellen, dem so genannten Bass, konzipiert ist. Subwoofer kommen vorwiegend in Diskotheken, im Kino, in Car-Audioanlagen und als Komponenten von Heimkinoanlagen zum Einsatz.
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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. Zum einen 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 zwischen 80 und 100 Hz, eine höhere Trennung macht den Subwoofer ortbar.
Alternativ bekommt der Subwoofer bei entsprechenden mehrkanaligen Audioquellen ein eigenes Signal geliefert, was das Herausfiltern eines sinnvollen Signals aus den anderen Kanälen erübrigt. Ein Beispiel für eine solche Audioquelle ist Dolby Digital oder DTS, die neben den fünf oder mehr Surround-Kanälen einen separaten Low-Frequency-Effect-Kanal für den Subwoofer bietet.
Als Chassis wird der eigentliche Lautsprecher des Subwoofers im Unterschied zum Gehäuse bezeichnet. Ausgeklügelte Gehäusekonstruktionen, z. B. mit einem Bassreflexkanal sorgen dafür, 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 Minisatelliten.
Die größten marktüblichen Subwoofer haben Membrandurchmesser von 38 bis 45 cm (15 bis 18 Zoll). 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; siehe Bild: Größter Subwoofer.
Der gewollte Tiefbass wird maßgeblich über den Durchmesser und den Hub des Chassis bestimmt. Erst eine ausreichende Dimensionierung beider Größen führt in der Praxis zu dem gewollten Tiefbass.
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 in der Regel Subwoofer mit mehrere großen Chassis (15 bis 18 Zoll) in einem Horngehäuse verwendet. 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.
Bauformen
Nach Konstruktions-Prinzipien werden Direktstrahler-Subwoofer (auch Frontfire-Subwoofer genannt) und Bodenstrahler-Subwoofer (auch Downfire-Subwoofer genannt) unterschieden. Direktstrahler-Subwoofer geben den Schalldruck primär an die Raumluft des Hörraums ab. Bodenstrahler-Subwoofer geben einen wesentlichen Teil des Schalldruckes auch an die bauliche Raumkonstruktion des Hörraums ab.
Die am häufigsten verwendeten Gehäusearten sind die geschlossene Bauform, das Bassreflexgehäuse sowie das Bandpassgehäuse. Beim geschlossenen Gehäuse wird die Chassis einfach luftdicht in einen Kasten eingebaut. Um allerdings eine zufriedenstellende Basswiedergabe zu erreichen, muss das Gehäuse meistens ein relativ großes Volumen aufweisen. Diese Bauform klingt oft am homogensten, hat allerdings den schlechtesten Wirkungsgrad, erzielt also grob gesagt den geringsten Maximalpegel.
Beim Bassreflex-Gehäuse wird der rückwärtig von der Chassis abgestrahlte Schall genutzt, um eine vom Gehäuseinneren nach außen führende Röhre in Resonanz zu versetzen und somit als weitere Schallquelle einzusetzen. Der Bassreflexkanal, ein Helmholtz-Resonator, 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 Höhrraum 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 findet in vielen Bereichen Anwendung, da man hier eine sehr flexible Möglichkeit der Abstimmung hat. Durch diese Flexibilität hat man ein großes Spektrum an Möglichkeiten, die man entwickeln kann. Dieses reicht von Konstruktionen mit sehr hohem Maximalpegel (Auto-HiFi-, PA-Bereich) bis hin zu Konstruktionen, die einen ordentlichem Tiefbass aus kleinen Chassis herausholen (Heimkino). Alle Konstruktionen gehen allerdings auf Kosten der Klangqualität, da Bandpässe prinzipbedingt ein weit schlechteres Impulsverhalten aufweisen als direkt an den Höhraum 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.
Aufstellung
Tieffrequente Schallwellen unterhalb etwa 100 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 speziellen räumlichen Anordnungen des Lautsprechers können bei definierten Frequenzen so genannte stehende Wellen entstehen. In diesem Fall heben sich 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 zu umgehen, indem man den Subwoofer asymmetrisch im 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.
Physiologische Auswirkungen von hohen tieffrequenten Schallpegeln
Vom menschlichem Gehör kaum mehr wahrgenommen, können hohe tieffrequente Schallpegel chronische Schäden an Mensch und Tier verursachen (Lungenkollaps, Herzmuskulatur-Schäden, Magenkrämpfe). Bei Bassfrequenzen mit Resonanz-Vibration in Verbindung mit bereits 120dB(A) Lautstärken ist das Trommelfell einem Hörsturz in möglicher Verbindung mit Platzen des Trommelfells ausgesetzt.
Ein britisch-belgisches Forscherteam der Freien Universität Brüssel hat erste Hinweise gefunden, dass durch extreme Bässe ein Lungenkollaps ausgelöst werden kann: Artikel in Thorax Online (engl.)
Insbesondere tiefe Bassfrequenzen scheinen als Ursache in Frage zu kommen. Beginnen die Lungenflügel in der gleichen Frequenz zu vibrieren, kann dieses zu Rissen im Gewebe führen, die schließlich den Lungenkollaps verursachen.
Bei Großveranstaltungen mit starker Tieftonbeschallung sollte dabei Vorsicht geboten sein, da Lungen- und Herzrhythmus-Probleme chronische Schäden verursachen können.
