Verbesserung der Abstrahlcharakteristik mit HK-Weichen

Lautsprecherbau und -tuning

Verbesserung der Abstrahlcharakteristik mit HK-Weichen

Beitragvon uli.brueggemann » 22.06.2010, 10:15

Freunde des guten Tons,

ich möchte hier einmal eine Anregung zum Bau eines aktiven Lautsprechers geben. Vielleicht lässt sich da ja einer inspirieren.

Ausgangspunkt:
wir kennen hier im Forum ja alle die Vorteile eines aktiver Lautsprechers. Vorteile ergeben sich durch die Trennung der Chassis, d.h. keine gegenseitige Beeinflussung über die Frequenzweichen. Im Fall subtraktiver Frequenzweichen sollten sich die Einzelsignale zu einem sauberen Gesamtsignal summieren. Darüber hinaus sollte sich das Klangergebnis noch einmal verbessern lassen, wenn eine Regelung hinzukommt. :mrgreen:

Trotz aller positiven Resultate gibt es aber immer noch Merkmale, die Optimierungswünsche offen lassen. Das soll hier nachfolgend beschrieben werden:

Typischerweise sind die realisierten LS keine Punktschallquellen. Wir finden zumeist Mehrwegesysteme mit vertikal angeordneten Chassis für die jeweiligen Frequenzbereiche. Auch LS mit d'Appolito-Anordnung der Chassis gehören dazu. In der horizontalen Ebene strahlen diese Chassis mit einer Richtcharakteristik, die sich anhand der Membrangrössen und der zugehörigen Frequenzbereiche ergibt. Es wird üblicherweise ein möglichst gleichmäßiges 'radiation pattern' angestrebt.

In der vertikalen Ebene sieht es jedoch anders aus. Je nach Abstand und vertikaler Winkelrichtung überlagern sich die Signale der benachbarten Chassis und hierdurch entstehen in den Überlappungsbereichen der Frequenzweichen aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten des Schalls Auslöschungen. Im Klartext: in der vertikalen Ebene ändert sich der Frequenzgang abhängig von der Höhe der Hörposition! Weiterhin ist festzustellen, dass auch die Raumanregung hierdurch nicht gleichmäßig, sondern eher zufällig erfolgt (je nach vorgegebenen Weichen und LS). Ein Beispiel zeigt folgendes Bild mit einer Butterworth-Weiche 3ter Ordnung. Je nach Winkelstellung (5° Schritte) bezogen auf die Achse des Hochtöners ändert sich der Frequenzgang.

Bild

Im PA-Bereich, speziell bei Line-Arrays, kennt man diese Probleme übrigens schon länger und man versucht auch hier, mit entsprechenden Ansätzen eine Lösung zu schaffen.

Es gibt nun einen Vorschlag der Herren Ulrich Horbach (früher Studer, heute Harman Kardon) und D.B. Keele, beide auch Fellows der Audio Engineering Society. Texte hierzu finden sich in einer AES-Veröffentlichung, Teil 1 und Teil 2, und in einer Powerpoint Präsentation. Darüber hinaus gibt es auch einen Patentantrag, der aber nur für USA gilt.

Gemäß diesem Vorschlag werden die Frequenzweichen als linearphasige und subtraktive Weichen derart gestaltet, dass sich eine gleichmäßige vertikale Abstrahlcharakterisitk einstellt. Hierbei wird ein symmetrischer Aufbau des LS zugrundegelegt, siehe Beispiel.

Bild

Gemäss der Eigenschaften stellt sich ein deutlich gleichmäßigerer Frequenzgang in der vertikalen Ebene ein.

Beispiele für ein 4- und 6-Wegesystem:

Bild

Bild

Welche Eigenschaften haben nun die HK-Crossover? Sie erzeugen zum einen die gewünschte gleichmäßige Abstrahlung. Sie sind sehr steilflanking und schneiden damit auch unerwünschte Frequenzen ab (die vielleicht break-ups der Membran erzeugen). In jedem Bereich überlappen sich maximal zwei Chassis.

Die HK-Filter lassen sich nicht analog realisieren. Sie sind eindeutig digitale Frequenzweichen. Die Erzeugung erfolgt durch Vorgabe einiger Parameter. Wesentlich sind hierbei die Vorgabe der gewünschten Breite der Abstrahlkeule (beamwidth) und die Mittenabstände der Chassis (was wiederum bedingt, dass man Chassis verwenden muss, die eine gewünschte Grösse haben und dabei den sich ergebenden Frequenzbereich übertragen). Ansonsten sehen die Weichen etwas ungewöhnlich aus.

Tja, und wie berechnet man nun diese Weichen? Man kann zum einen den Formeln in den o.g. Artikeln folgen. Oder Acourate verwenden. :-) Ich habe in der neuesten Version die Berechnung der HK-Filter mit eingebaut. Ein Beispiel sei abschliessend gezeigt:

Bild

Fazit: Los geht's. Es muss nur noch gebaut werden. :D

Grüsse, Uli


PS: Die Herren Horbach und Keele begrüßen selbstverständlich eine Verbreitung ihres Vorschlags. Eine Einordnung der Horbach-Keele-Frequenzweiche findet sich auch bei Siegfried Linkwitz (jawohl, DER Linkwitz):

Siegfried Linkwitz hat geschrieben:Here is a truly ground breaking, sensible and practical application of DSP to the design of crossover filters and the polar response of large multi-way active loudspeakers. Very exciting work! It avoids lobing of the vertical polar pattern.

Quelle: http://www.linkwitzlab.com/links.htm
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Beitragvon wgh52 » 22.06.2010, 12:42

Hallo Uli,

das sieht nach echter Innovation im High-End LS Design aus. 6-Wege für optimale Umsetzung sind allerdings schon eine klare Ansage!

Eine Sache ist mir aus der Präsentation nicht so ganz klar geworden: Ist für HK-Weicheneinsatz die symmetrische Anordnung à la Silbersand 701 oder BM-18/25/35/40 usw. Pflicht oder habe ich da vielleicht etwas falsch verstanden?

Danke vielmals für den tollen Beitrag.

Gruss,
Winfried
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Beitragvon uli.brueggemann » 22.06.2010, 13:03

wgh52 hat geschrieben:Ist für HK-Weicheneinsatz die symmetrische Anordnung à la Silbersand 701 oder BM-18/25/35/40 usw. Pflicht ?

Hallo Winfried,

eindeutig ja.

Gruss, Uli
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Beitragvon Fortepianus » 22.06.2010, 13:24

Hallo Uli,

sehr interessant, vielen Dank für den Beitrag und vor allem für die sofortige Übernahme der Weiche in acourate!

Ich bin aus den drei Kurven nicht ganz schlau geworden, die Du für die HK-Weiche gezeigt hast - was ist oben, was a) und was b)?

Viele Grüße
Gert
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Beitragvon uli.brueggemann » 22.06.2010, 14:59

Fortepianus hat geschrieben:vor allem für die sofortige Übernahme der Weiche in acourate!

Hallo Gert,

ich bin da doch erstmal von einem Dritten tagelang bekniet worden, ist ja doch ein Aufwand. Und das Formelwesen in den Arbeiten ist doch etwas tricky und ein wenig tückisch.

Fortepianus hat geschrieben:Ich bin aus den drei Kurven nicht ganz schlau geworden, die Du für die HK-Weiche gezeigt hast - was ist oben, was a) und was b)?

Ich hab einfach die Bilder aus der PP-Präsentation genommen, das obere ist gültig für 4 Wege, das untere Bild für 6 Wege. Dabei sind dann zwei Varianten dargestellt. Siehe die Präsentation mit Erläuterung.

Mir ging es hier einfach um den Appetitmacher, man erkennt doch schnell die Unterschiede zur Standardweiche :-)

Gruss, Uli
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Beitragvon schauki » 22.06.2010, 18:40

Hallo!

Prinzipiell eine interessante Sache.

Bzgl. deinem Beispiel, ist das schon die "richtige" Version? Denn bei der letzen Trennung also bei 2,5kHz ist der -12dB Punkt des unterhalb anschließenden Treiber ja bei ~6kHz, also eine eher große/lange Überlappung.

Gibt es an die Strahlerabstände besondere Anforderungen (ala D'appo)? Ich kann mir aktuell noch nicht vorstellen wie/ob man das in der Praxis dann auch hinbekommt.

Bzw. ist ja bei "konventionellen" System und Filtern die Sache ja erst wichtigi sobal der Treiberabstand >lambda/2 wird, und wenn mans geschickt anstellt, dann ist das wiederum eh "nur" für die letzte Trennung wichtig, also meist zwischen 1,5-3,5 kHz. Vielleicht schaut die Trennung oben deshalb auch genau so aus?

Sind die Treiberabstände in deinem Beispiel realistisch? Einmal 60mm und der nächste mit 80mm (Mitte-Mitte??) ist zwar knapp aber es gibt ja auch kleine Treiber? Ne 0,75" in der Mitte, dann 2 38er, 2 50er, dann 2 5", 2 8" und 2 (oder 4,8..) 10"...

Jetzt brauchts dann halt nur mehr eine 12 Kanal Soundkarte.

In Summe sehe ich allerdings bei Verwenung sehr steiler Filter (die man ja auch in Acourate über NT Filter machen kann) das Problem nicht so wie es in den Diagrammen dargestellt wird, denn der Bereich des "Lochs" wird entsprechend klein.

Weiters stelle ich es mir nicht sehr einfach vor, dann auch noch das horizontale (bzw. eben das in die andere Achse) Abstrahlverhalten zu gestalten, dieses sehe ich allerdings eher wichtig an. Vor allem, wenn Bündelung gewünscht wird, wirds hefitg das alles unter einen Hut zu bekommen.

mfg

P.S. einige nicht 100% geordnete Gedanken dazu.
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Beitragvon uli.brueggemann » 22.06.2010, 19:43

Hallo Richard,

schauki hat geschrieben:Prinzipiell eine interessante Sache.

Ich denke das ebenso.

schauki hat geschrieben:Bzgl. deinem Beispiel, ist das schon die "richtige" Version? Denn bei der letzen Trennung also bei 2,5kHz ist der -12dB Punkt des unterhalb anschließenden Treiber ja bei ~6kHz, also eine eher große/lange Überlappung.

Da hilft nur lesen. Die zitierten Artikel. Dort wird klar begründet, wie sich diese spezielle Form des Übergangs durch den einzelnen Hochtöner ergibt. Wobei dann eigentlich noch ein Sprung von -2.5 dB auf 0 dB ergibt, welcher dann "weg"interpoliert wird.

schauki hat geschrieben:Gibt es an die Strahlerabstände besondere Anforderungen (ala D'appo)? Ich kann mir aktuell noch nicht vorstellen wie/ob man das in der Praxis dann auch hinbekommt.

Generell möchte man im Zentrum kleine Abstände der Chassis. Also kleine Hochtöner und das ist vermutlich doch ein Problem. Evtl. HTs aus dem Car-HiFi-Bereich. Das Foto zeigt aber, dass es wohl geht.
Ansonsten zeigen besagte Artikel ebenfalls auf wie das Verhältnis der Abstände aufgebaut sein sollte.

schauki hat geschrieben:Sind die Treiberabstände in deinem Beispiel realistisch?

Nein, ich hab nur ein Beispiel gemacht. Dabei sind die roten Felder rechts Anhaltspunkte, dass man "ausserhalb" der empfohlenen Abstände ist. Das ist trotzdem zugelassen, es hängt ja evtl. auch von den vorhandenen Chassisgeometrien ab.

schauki hat geschrieben:Ne 0,75" in der Mitte, dann 2 38er, 2 50er, dann 2 5", 2 8" und 2 (oder 4,8..) 10"...

Siehe die Beispiele.
schauki hat geschrieben:Jetzt brauchts dann halt nur mehr eine 12 Kanal Soundkarte.

Bei 6-Weg-LS ja. :mrgreen:

schauki hat geschrieben:Weiters stelle ich es mir nicht sehr einfach vor, dann auch noch das horizontale (bzw. eben das in die andere Achse) Abstrahlverhalten zu gestalten, dieses sehe ich allerdings eher wichtig an. Vor allem, wenn Bündelung gewünscht wird, wirds hefitg das alles unter einen Hut zu bekommen.

Tja, Quadratur des Kreises.

Grüsse, Uli
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Beitragvon schauki » 23.06.2010, 20:32

Hallo!

Also so ganz kapier ich das auch nach mehrmaligem durchlesen noch nicht - vielleicht auch weils englisch ist....

Es fällt mir sehr schwer mich damit "anzufreunden" dass bei linear phasigen Filtern - es ist nur die Amplitude interessant - sich eben KEIN Interferenzmuster einstellt.
Das geht im Moment nicht wirklich in meinen Kopf - bzw. wenns drin ist gibts nen Knopf...

Kann den irgendwer lösen?

mfg
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Beitragvon uli.brueggemann » 24.06.2010, 09:24

Richard,

wenn Du die mit Acourate erzeugten linearphasigen Weichen lädst und addierst, ergibt sich ein Dirac-Puls. Es ist eine Eigenschaft der subtraktiven linearphasigen Filter. Bei minimalphasigen Filtern gelingt die subtraktive Erzeugung nur manchmal und das für wenige Wege, typisch 2-Weg.

Bei den HK-Filtern wird nun die Abstrahlcharakteristik zweier benachbarter Chassis so angesteuert, dass sie zusammen sich eben unter einem weiteren Winkel zu einer konstanten Abstrahlung addieren. Siehe dazu die ganzen Bilder über die Haupt- und Nebenkeulen.

Gruss, Uli
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Beitragvon schauki » 24.06.2010, 17:03

Hallo!

Mir ist das vor allem geometrisch nicht klar.
D.h. unter Winkel ändern sich die Abstände zu den Schallentstehungsorten (SEO).

Hier mal eine Skizze:
http://www.schauki.at/hifibilder/winkel.png
Sind mal auf Achse (weiß) und unter 30° (grün) eingezeichnet.
Zum HT bleibt der Abstand immer gleich mit den 400 (was auch immer).

Zu den benachbarten Chassis allerdings ändern sich die jew. Abstände.
Die beiden außerhalb werden ja mit dem gleichen Signal angesteuert?

Allein dort (also ohne HT) müsste sich nach meinem Verständnis ein Interferenzmuster bilden sofern sie >lambda/2 auseinanderliegen.

Vielleicht brauch ich auch nur einen Schubs damit ichs kapier...

mfg
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Beitragvon wgh52 » 24.06.2010, 18:09

Hallo Richard,

ich hab's zwar nicht gerechnet (faulheit), aber vielleicht liegt der Schlüssel in Deiner Aussage:

schauki hat geschrieben:...sofern sie >lambda/2 auseinanderliegen....

denn 6 Wege sind durchaus eine ziemliche Feinabstufung und die normale Überlappung der Wege täte ja auch ein Übriges. Nur so als Anstoss. :roll:

Gruss,
Winfried
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Beitragvon schauki » 24.06.2010, 18:26

Hallo!

Genau! Allerdings eben nur bis zum HT.
Das Problem damit ist, je kleiner (also auch Näher zusammen die anschließenden Treiber sein können) der HT ist, desto weniger Pegel kann der - desto höher muss die Trennung liegen - desto geringer wird lambda.

Eine gute 1" Kalotte wird unter 1,5kHz nicht mehr sooo viel hergeben.
Bzw. die Trennung in Ulis Beispiel liegt bei ~2,5kHz.

AMTs oder Bändchen die weit runter können sind halt auch wieder groß...

Ich erreiche mit 0,75" + 2" (wo schon die Frontplatte eingefräst ist) 96mm Abstand, und das bei 3kHz (würde noch etwas weiter runter gehen, aber kostet Maximalpegel). Also auch eher lambda denn Halbe...

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Beitragvon uli.brueggemann » 24.06.2010, 20:45

Richard,

natürlich gibt es immer irgendwo einen Pferdefuss. :-)

In diesem Fall will man ja einen kleinen Hochtöner und dann soll er noch doppelt so effizient sein weil er alleine spielen muss. Nichtsdestotrotz, es werden ja Beispiele gezeigt, inkl. Bilder von realisierten LS.

Und vielleicht hilft noch diese Präsentation zum Verständnis. :cheers:

Das zeigt m.E. schön, wie sich die jeweiligen Treiber addieren. Und auch etwas besser den Sprung im Frequenzgang beim Hochtöner.

Grüsse, Uli
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Beitragvon schauki » 24.06.2010, 21:04

Hallo!

Wie gesagt mein Verständnisproblem liegt an den letzen 2 bzw. 3 Treibern. In den Dokumenten wird der HT als "Problemkind" beschrieben - okay.

Aber ich sehe das Problem schon bei den Treibern neben dem HT. Bis 1kHz müssen die spielen, nehmen wir einfach mal an, es gäbe einen HT mit 40mm Einbaumaß. Dann eine kleine Morel 2" Kalotte z.B. mit 60mm Einbaumaß (glaub, die ist quadratisch) sind wir auf 100mm Abstand lambda/2 wäre in dem Fall ~17cm, also sind wir sogar fast bei lambda/4.

Aber dann ist ja sowieso kaum ein Problem auch bei "konvetionellen" Filtern.

Ich habe jetzt auch keinen "echten" Vergleich entdeckt. Also einmal den 6 Wegerich mit z.B. NT 6ter Ordnung (bei sinnvollen TFs) gegen den mechanisch gleichen 6 Wegerich nur eben mit den HK Weichen.

Ich bin mechanischer Konstrukteur, insofern tue ich mir etwas schwer bei eher abstrakten Dingen wie Filtertheorie u.ä. Bitte also etwas um Nachtisch. 8)

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Beitragvon uli.brueggemann » 24.06.2010, 21:47

schauki hat geschrieben:... sind wir auf 100mm Abstand lambda/2 wäre in dem Fall ~17cm, also sind wir sogar fast bei lambda/4.

Die Rechnung versteh ich nun wieder nicht. Wie kommst Du auf 17 cm?

Uli
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