Kraftkompensierte Treiberpaare (Force Cancelling)

Was bedeutet Kraftkompensation bei Lautsprechern — und warum wandert ein Subwoofer mit zwei gegenüberliegenden Chassis nicht über den Boden?

Ein arbeitendes Lautsprecherchassis bewegt nicht nur Luft. Nach dem Prinzip von Kraft und Gegenkraft drückt es mit jeder Bewegung der Membran nach vorn sein eigenes Gehäuse nach hinten. Bei der Kraftkompensation sitzen zwei gleiche Chassis so, dass sich diese Rückstöße im Gehäuse aufheben: Bewegt sich die eine Membran nach außen, tut es die andere in die genau entgegengesetzte Richtung.

Wenn Du auf einem Skateboard stehst und einen schweren Ball wegwirfst, rollst Du rückwärts. Genau das passiert im Lautsprecher jedes Mal, wenn die Membran nach vorn schießt: Das Gehäuse bekommt einen Stoß nach hinten. Bei tiefen Tönen mit viel Membranbewegung ist dieser Stoß kräftig, und das Gehäuse fängt an mitzuzittern — man spürt es, wenn man die Hand auflegt. Ein zitterndes Gehäuse macht selbst Geräusche, und über den Boden zieht es durchs Haus. Die Lösung ist einfach: zwei gleiche Chassis auf gegenüberliegenden Seiten. Sie schieben in entgegengesetzte Richtungen, und die beiden Stöße heben sich im Gehäuse gegenseitig auf. Nach außen hin arbeiten trotzdem beide.

Ausführliche Erklärung

Der Rückstoß ist keine Nebensache, sondern proportional zur bewegten Masse und ihrer Beschleunigung. Im Tiefton ist beides groß: schwere Membranen und große Hübe. Deshalb tritt der Effekt bei Subwoofern und großen Tieftonchassis auf und bei einem Hochtöner praktisch nicht.

Was ein angestoßenes Gehäuse anrichtet, hat drei Seiten.

Es strahlt selbst ab. Eine schwingende Gehäusewand ist eine Schallquelle — eine schlechte, unkontrollierte, zeitversetzte. Sie mischt sich unter das, was das Chassis abgibt.

Es verschiebt das Chassis. Bewegt sich das Gehäuse entgegen der Membran, dann ist die tatsächliche Auslenkung der Membran gegenüber der Luft kleiner als die gegenüber dem Korb. Das ist im Tiefton ein realer Pegelverlust, und er wächst, je leichter das Gehäuse ist.

Es leitet Körperschall in den Boden. Das ist im Heimkino die praktisch wichtigste Folge: Der Stoß geht über die Aufstellfläche ins Bauwerk und läuft dort weiter, wo Luftschall längst gedämmt wäre — siehe Körperschall.

Zwei gleiche, gegenüberliegend montierte Chassis lösen alle drei Punkte an der Quelle. Wichtig ist dabei die Anordnung: Damit sich die Kräfte aufheben, müssen die Chassis einander gegenüberstehen und gleichzeitig nach außen beziehungsweise gleichzeitig nach innen arbeiten. Das heißt, dass sie — weil sie spiegelbildlich montiert sind — gegenphasig angesteuert werden müssen, um akustisch gleichphasig zu sein. Elektrisch sieht das nach Gegentakt aus, akustisch ist es Gleichtakt. Genau diese Verdrehung ist der Grund für die Verwechslung mit der Push-Pull-Anordnung.

Für die Namen gibt es keine feste Konvention. Force Cancelling ist der verbreitetste englische Begriff, Push-Push die geläufige Kurzform für die Anordnung, und einige Hersteller führen eigene Bezeichnungen. Gemeint ist dasselbe Prinzip.

Wo die Kompensation aufhört

Sie ist nicht vollständig, und die Gründe sind konstruktiv.

Zwei Chassis sind nie exakt gleich; Serienstreuung in Antriebsstärke und Aufhängungssteifigkeit lässt einen Rest übrig. Und die beiden Kräfte greifen nicht an derselben Stelle an, sondern an zwei gegenüberliegenden Wänden. Ihre Summe ist zwar null, aber sie erzeugen zusammen ein Kräftepaar, das das Gehäuse zu dehnen und zu stauchen versucht. Aus einer Schubbewegung wird damit eine Atembewegung — leiser, aber nicht weg. Bei Bauformen, die die beiden Chassis gegenüberliegend fest miteinander verschrauben, wird auch das weitgehend aufgefangen.

Wichtiger für die Planung ist die zweite Grenze: Kraftkompensation ersetzt keine Entkopplung. Sie reduziert, was überhaupt an Kraft im Gehäuse entsteht; die Entkopplung unterbricht den Weg vom Gehäuse ins Bauwerk. Das sind zwei verschiedene Stellen in derselben Kette, und wer nur eine davon behandelt, behält die andere.

Häufiges Missverständnis

„Push-Push und Push-Pull, das ist doch dasselbe in Grün." Es sind zwei verschiedene Verfahren mit zwei verschiedenen Zielen, und die Namen sind denkbar ungünstig gewählt.

Bei der Push-Pull-Anordnung wird eines der beiden Chassis umgedreht eingebaut und gegenphasig angesteuert; beide bewegen sich dadurch in dieselbe Richtung im Raum. Der Zweck ist die Aufhebung nichtlinearer Verzerrung: Weil das eine Chassis gerade in die Richtung arbeitet, in der sein Antrieb schwächer wird, während das andere in seine starke Richtung arbeitet, gleichen sich die Unsymmetrien teilweise aus. Der Rückstoß bleibt dabei bestehen, denn beide schieben in dieselbe Richtung.

Bei der Push-Push-Anordnung, also der Kraftkompensation, arbeiten die Membranen in entgegengesetzte Richtungen im Raum. Der Rückstoß hebt sich auf, die Verzerrungen aber nicht.

Ein Gerät kann beides oder keines von beidem haben. Der AVITECT-Eintrag zum Subwoofer nennt Push-Pull unter den Bauformen — gemeint ist dort die Verzerrungsvariante, nicht diese hier.

„Damit steht der Subwoofer ruhig, also brauche ich keine Entkopplung." Das ist die folgenreichste Verwechslung. Die Kompensation ist unvollständig, und selbst ein vollkommen ruhiges Gehäuse gibt über die Luft Schall ab, der im Raum auf Boden und Wände trifft und von dort ins Bauwerk geht. Der tieffrequente Weg ins Nachbargeschoss läuft nicht nur über die Standfläche. Kraftkompensation verkleinert einen von mehreren Beiträgen.

„Zwei Chassis heißt doppelter Pegel." Das gilt für die Membranfläche und ist unabhängig von der Anordnung — zwei Chassis nebeneinander an derselben Wand leisten dasselbe. Der Beitrag der Kraftkompensation ist die Ruhe des Gehäuses, nicht der Pegel. Ein indirekter Pegelgewinn entsteht allerdings doch, weil ein Chassis, dessen Bezugspunkt stillsteht, seinen Hub vollständig in Luftbewegung umsetzt.

Nicht zu verwechseln mit

Push-Pull: Zwei gegensinnig montierte, gegenphasig angesteuerte Chassis, die sich im Raum gleichsinnig bewegen. Ziel ist die Minderung nichtlinearer Verzerrung, nicht die Ruhe des Gehäuses.
Passivmembran: Eine zweite, nicht angetriebene Membran, die die Öffnung eines Bassreflexgehäuses ersetzt. Sie hat keinen Antrieb und kompensiert nichts — siehe Bassreflex.
Dipol-Abstrahlung: Zwei Quellen, die bewusst gegenphasig in den Raum strahlen, um eine Achterform zu erzeugen. Hier ist die Gegenphasigkeit das akustische Ziel, dort ein konstruktives Mittel — siehe Dipol-Abstrahlung.
Entkopplung: Eine Maßnahme unter dem Gerät statt in ihm. Ergänzt sich mit der Kraftkompensation und ersetzt sie nicht.
Doppelschwingspulen-Chassis: Hier hat eine einzige Membran zwei Wicklungen, die sich unterschiedlich verschalten lassen. Eine Frage der Beschaltung also, keine der Anordnung — und ohne jeden Einfluss auf den Rückstoß.

In der Planung

Ein Heimkino im Obergeschoss eines Einfamilienhauses, darunter das Elternschlafzimmer. Geplant sind vier Subwoofer. Der Kunde hat gelesen, dass kraftkompensierte Modelle „nichts ins Haus abgeben", und fragt, ob er sich damit die aufwendige Entkopplung sparen kann.

Der erste Schritt ist eine Wegeliste, keine Produktentscheidung: Auf welchen Wegen kommt Bassenergie in das Zimmer darunter? Es sind mindestens drei — die Standfläche jedes Subwoofers, der Luftschall im Raum, der Decke und Boden großflächig anregt, und die Anschlussfugen des Bodenaufbaus. Die Kraftkompensation wirkt auf den ersten, und zwar nur teilweise.

Für die Auslegung heißt das: Beides, nicht eines von beidem. Die Bauform verkleinert die Kraft an der Quelle, die Entkopplung unterbricht den verbleibenden Weg, und der Bodenaufbau entscheidet über den Rest — wobei ein schwimmender Estrich im Frequenzbereich eines Subwoofers ohnehin wenig ausrichtet. Wer hier sparen will, spart am falschen Ende, denn Nachbesserungen an einem fertigen Bodenaufbau bedeuten Rückbau.

Bei den Geräten ist die Bauform dann ein echtes, aber nachgeordnetes Kriterium. Sie ist einer von mehreren Gründen, warum ein Subwoofer ruhiger steht — Gehäusemasse und Aufstellung sind die anderen, und sie sind billiger zu haben.

Verknüpfte Inhalte

Wohin die Kraft geht, die nicht kompensiert wird, beschreibt der Körperschall; wie der Weg unterbrochen wird, die Entkopplung, und woran das in der Ausführung scheitert, die Schallbrücke. Die Gerätegattung, bei der die Bauform hauptsächlich vorkommt, ist der Subwoofer; warum mehrere davon sinnvoll sind, klärt Multisub. Das andere Verfahren mit zwei Chassis und ähnlichem Namen ist im Subwoofer-Eintrag unter den Bauformen genannt; die bewusst gegenphasige Abstrahlung behandelt die Dipol-Abstrahlung. Was ein mitschwingendes Gehäuse akustisch anrichtet und wie man es beruhigt, steht bei Dämpfung und Verlustfaktor und bei der Dämpfungsschicht im Verbund.

Quellen

Der Mechanismus folgt aus dem Impulserhaltungssatz. Der Übertragungsweg, den die Bauform an der Quelle angeht, ist im AVITECT-Bestand bei Körperschall und Entkopplung belegt, einschließlich des Falls eines Subwoofers, der ohne Zwischenlage auf dem Estrich steht.