Lipshitz-Vanderkooy-Weiche in Analogtechnik

Lautsprecherbau und -tuning

Lipshitz-Vanderkooy-Weiche in Analogtechnik

Beitragvon madherm » 11.01.2015, 13:04

Hallo,

sehr stark durch die Artikel von Roman und Ralph inspiriert (und die darauffolgenden Reaktionen) habe ich mit dem Thema einer Subtraktionsweiche beschaeftigt. Eine digitale Loesung draengt sich geradezu auf, wenn man den Bauteileaufwand einer analogen Weiche betrachtet. Aber manchmal ist es ja gerade der Reiz etwas fast Unmoegliches zu machen, was einen antreibt. Sinnvoll ist es sicher nicht.

Ich habe mich also hingesetzt und einmal zusammengeschrieben was man da so alles braucht. Ich moechte selbst, insofern ich das jemals baue, meine BM30 damit aufruesten.

Ich stelle dies hier im Forum dar um eventuell einige Mitstreiter zu bekommen, sodass man das Projekt als "Open-Hardware" realisieren wuerde. Auch einige Detailfragen waeren noch zu klaeren, u.a. die Wahl der Tiefpass Alignments und das Rauschverhalten der Verzoegerungsstrecke.

Hier der Link zu meiner Zusammenfassung.

https://drive.google.com/file/d/0Bysjnv ... sp=sharing

Viel Spass Hermann
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Beitragvon cay-uwe » 12.01.2015, 08:00

Hermann,

da hast Du Dir einiges vorgenommen und wenn ich sehe, dass theoretisch 200 Allpässe im Tieftonzweig gebraucht werden, dann wird das schon im Layout und Wahl der Bauteile eine echte Herausforderung.

Soviel ich weiß und am Rande mitbekommen habe, geht die Firma PSI Audio ähnlcihe Wege. Da muss also möglich sein :wink:
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Beitragvon phase_accurate » 12.01.2015, 10:17

Hallo Hermann

Die Studer A 623 und A 723 waren mit subtractive delay Weichen ausgestattet. Es waren regelrechte "Allpass-Massengräber". Vielleicht finde ich irgendwo noch das Service Manual.

Die neueren Monitore von Studer wurden von PSI (Relec) gebaut und hatten auch das gleiche Prinzip wie die neueren PSI Monitore: Konventionelle Aktivweichen plus einen vorgeschalteten Phasenequaliser. Bei der grössten PSI, wo die untere Uebernahmefrequenz um die 300 Hz liegt, hat der Phasen EQ eine Ordnung von etwas über 30.

Ich wünsche Dir viel Erfolg bei Deinem Unterfangen.

Gruss

Charles
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Beitragvon phase_accurate » 12.01.2015, 16:45

Noch ein Tipp: Betrachte nicht das Lobing Verhalten für sich alleine wie im Lipshitz-Vanderkooy Artikel dargestellt. Betrachte bitte auch die die Wellenlängen in Relation zu den mechanischen Abmessungen. Eventuell reicht für die unterste Uebernahmefrequenz auch ein Butterworth Tiefpass 2. Ordnung. Damit könntest Du einen teil des Allpass Massengrabes einsparen.

Gruss

Charles
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Beitragvon Koala887 » 12.01.2015, 16:56

Hallo Hermann,

ein interessantes Vorhaben hast du da und ich bin gespannt, ob es sich auch in die Praxis umsetzen lässt. 8)
Hast du dir auch schon mal Gedanken über die Stromversorgung und Kühlung gemacht? Mal angenommen jeder OP benötigt einen Ruhestrom von 5mA, dann sind wir bei 400 OPs schon bei 2A. Bei einer Versorgungsspannung von +-15V wären das dann schon 60W Verlustleistung, welche irgendwie abgeführt werden müssen. :shock: Die 100dB S/N-Abstand halte ich auch für sehr "sportlich", bei Gelegenheit werde ich das mal durchrechnen. :cheers:

Schöne Grüße
Daniel
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Beitragvon Rainair » 12.01.2015, 18:34

Hallo Hermann,

... schon beeindruckend, was du dir da vorgenommen hast, Respekt!

Aber, wär das nicht genau der Fall für eine DSP-Lösung? Da wären dann auch Flankensteilheiten von über 100 db/oct. kein Thema und die delays sowieso nicht.

Die aberwitzig vielen OPs in deiner Analog-Variante (+ Beschaltung), da kann ja immer wieder mal einer kaputtgehen. Auch sollten es schon "gscheite" OPs sein, und die gehen ins Geld und saugen am Strom.

Auf jeden Fall bin ich schon sehr gespannt auf das Ergebnis.

LG, Rainer
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Beitragvon Hans-Martin » 12.01.2015, 22:49

Hallo Hermann

Ich schließe mich in allen Punkten Rainer an (einschließlich "Respekt"), möchte aber noch 2 Punkte aus eigener Erfahrung hinzufügen:

Ein Hersteller hat bei Beibehaltung der Typenbezeichnung den Koppelkondensator deutlich verkleinert, möglich wurde das durch einen höheren Eingangswiderstand durch geänderte externe Beschaltung desselben OpAmps, so wie ich das verstanden hab. Der Klangunterschied war differenzierter, offener, plastischer, bei gleichem Tiefgang (R-C-Zeitkonstante identisch). Seit diesem Erlebnis würde ich große Kondensatoren im Signalweg vermeiden. Ich habe bei meinem CD-Player früher die bipolar geschalteten Elkos durch verschiedene Folientypen ersetzt und verglichen, am Ende war der Verzicht auf den Kondensator (also Gleichspannungskopplung? nein, am Eingang des Verstärkers war ja noch ein C) klanglich am besten.

Widerstände haben unvermeidliches Eigenrauschen, Anlass, kleine Werte zu wählen, dann aber müssen große Kondensatorwerte für die identische Zeitkonstante her.

Der zweite Punkt betrifft sorgfältig gemachte Verstärkerbausteine. Ein Freund brachte 1987 aus den USA einen California Audio Lab Vorverstärker mit, dessen Eingangsumschaltung und passives Lautstärkesteller mit Festwiderstands-Leiterschaltung durch einen abschaltbaren Verstärkungsbaustein ergänzt wurde. Beim Abschalten waren nur die Eingangumschalter und der Lautstärkesteller im Signalweg. Ich war verblüfft, wie groß der Unterschied ausfiel. Die Firma hatte gewiss keinen schlechten Ruf, aber dass ein Kabeltreiber hinter dem Lautstärkepoti solch einen hörbaren Unterschied verursachte ...

Ich habe 1998 ein NF-Millivoltmeter an einen Endstufenausgang gehängt, das Signal bei offenem Eingang gemessen, dann einen Vorverstärker desselben Herstellers mit Durchgangsverstärkung Spannung 0dB eingestellt. Alle getesteten Endstufen waren deutlich rauschärmer als die Kombinationen mit Vorverstärker.

Als QUAD den 405 Endverstärker herausbrachte, demonstrierte Thomas Wegner (später Schaulandt) eine Hintereinanderschaltung von 10 Stück 405, um zu beweisen, wie gering die Klangbeeinflussung war. Es hieß, die Leute hätten keinen Unterschied gehört. Da diese Endstufe das Signal invertiert, 10 davon gegen 1 verglichen werden mussten, bedeutet dass, dass das Invertieren des Signals also auch nicht wahrgenommen wurde. Naja, die Glaubwürdigkeit eines solchen Vergleichs ist somit schnell dahin.

Aber worauf ich eigentlich hinaus will, ist nur eine Tendenz. Ausgerechnet der Hochtonzweig muss durch 200 Allpässe, um die ca. 4ms Gruppenlaufzeit des Tiefpasses auszugleichen. Alle Unreinheiten der Stromversorgung werden sich bei den OpAmps in das Signal einschleichen, und weil jeder Allpass eine Zeitverzögerung mitbringt, werden sich die Auswirkungen sich teilweise aufheben, man könnte nun nachrechnen, wo sich durch Gegenphasigkeit Störungen aufheben, wo durch Gleichphasigkeit sich diese addieren. Aus 0,005% Klirr werden dann bei 200 Stück mehr als 1% mit Zins und Zinseszins ...

Das alles ist über den Daumen, wäre aber Grund genug für mich, solch ein Projekt gar nicht erst anzugehen, schon gar nicht mit größeren Kondensatoren. Für DSP/Digital wäre das 'n Klacks, wie man in Norddeutschland sagt.

Grüße Hans-Martin
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Beitragvon madherm » 13.01.2015, 10:09

Vielen Dank fuer eure Beitraege. Wie gesagt, bevor ich mich an einen Layouteditor setze wollte ich zuerst einmal mit dem Volumen des Projekts und den moeglichen Stolpersteinen befassen.

Eins ist klar: Eine digitale Loesung ist wirklich sinnvoll. Ich glaube nur nicht dass die Aussage dass man beliebeige Flankensteilheiten bekommen kann, so richtig ist. Im Tiefpass sicherlich, aber nach der Theorie im gesagten Papier liegt die maximale Flankensteilheit im Hochpass bei 60db/Dekade.

Das potentielle Problem der Kuehlung hatte ich ausser acht gelassen. OPAmps mit weniger als 5mA haben vermutlich wieder mehr Eigenrauschen ...

Ein mir vertretbar erscheinender Kompromiss waere die Subtraktionsweiche nur fuer die Mittel-und Hochtoener zu benutzen. Mit 1.2 KHz unterer Grenzfrequenz des Mitteltoeners wird das Problem 15 mal kleiner.

... und eine digitale Loesung ist auch schon mal angedacht. Derzeit kann ich mich nur nicht so richtig fuer die Entwicklungsumgebung entscheiden. Texas Instruments or Analog Devices? Auf jeden Fall moechte ich keinen DSP mit integrierten Codecs, sondern mir die Flexibilitaet erhalten diese selbst auszuwaehlen und eventuell auch in den naechsten Jahren an neue Marktentwicklungen anzupassen. Hat jemand schon mal mit 384 kHz selbst gebaut?

LG Hermann
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Beitragvon uli.brueggemann » 13.01.2015, 10:20

madherm hat geschrieben:Eins ist klar: Eine digitale Loesung ist wirklich sinnvoll. Ich glaube nur nicht dass die Aussage dass man beliebeige Flankensteilheiten bekommen kann, so richtig ist.

Siehe hierzu Beispiel digitaler Subtraktionsweichen mit den Trennfrequenzen 80 Hz, 330 Hz, 1.5 kHz und 6 kHz:

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Das sollte wohl steil genug sein. :cheers:

Grüsse
Uli
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Beitragvon madherm » 13.01.2015, 15:45

Hallo Uli,

ich bin beeindruckt. Insofern es sich nicht um ein Betriebsgeheimnis handelt wuerde ich natuerlich gerne die Mathematik dazu verstehen. Damit die Transferfunktion 1 - TP eine steile HP Funktion wird muessen so einige Bedingungen erfuellt werden. Sicherlich ein ausgekochtes FIR Filter?

Das Bier bezahle ich gerne ...

Hermann :cheers:
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Beitragvon madherm » 13.01.2015, 15:51

Hans-Martin hat geschrieben:Ein Hersteller hat bei Beibehaltung der Typenbezeichnung den Koppelkondensator deutlich verkleinert, möglich wurde das durch einen höheren Eingangswiderstand durch geänderte externe Beschaltung desselben OpAmps, so wie ich das verstanden hab. Der Klangunterschied war differenzierter, offener, plastischer, bei gleichem Tiefgang (R-C-Zeitkonstante identisch). Seit diesem Erlebnis würde ich große Kondensatoren im Signalweg vermeiden. Ich habe bei meinem CD-Player früher die bipolar geschalteten Elkos durch verschiedene Folientypen ersetzt und verglichen, am Ende war der Verzicht auf den Kondensator (also Gleichspannungskopplung? nein, am Eingang des Verstärkers war ja noch ein C) klanglich am besten.

Hallo Hans-Martin,

dein Versuch mit grosswertigen bzw kleineren Kondensatoren (den ich vom Hoerergebnis nicht in Frage stelle) ueberrascht mich sehr. Niederohmige SIgnalfuehrung sollte in fast allen Belangen besser sein. Deshalb meine Frage: Hast Du wirklich bei deinem Versuch Kondensatoren der gleichen Qualitaet benutzt? Bei hoeheren Werten tendiert man gerne zu bipolaren (oder sogar unipolaren) Elektrolyten, bei kleineren Werten kann man gute Folienkondensatoren verwenden. Ich frage mich daher ob deine Erfahrung nicht eher darauf beruht dass die kleinen Kondensatoren eine bessere Qualitaet hatten?

Liebe Gruesse Hermann
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Beitragvon uli.brueggemann » 13.01.2015, 16:04

Die gezeigten Filter sind linearphasige Neville Thiele Filter 2. Ordnung (FIR Filter). Höhere Ordnungen sind ebenfalls möglich. Eine erste Beschreibung findet sich in

http://sound.westhost.com/articles/ntm-xover.htm

Trotz der Steilheit ist das Ringing relativ gering. Es gibt noch weitere steile Filter, z.B. Horbach Keele, die sehen dann eher aus wie gotische Fenster.

Klar sollte sein, dass für die Filterbildung Tiefpass - Hochpass entsprechend den NT-Filtern jedes Filter einen Übergangsbereich haben muss, welcher jeweils bei 0 dB endet. Damit ist das Gegenstück dazu praktisch bei minus unendlich dB. Und so gibt es denn einen Bereich, wo die Filterflanke die extreme Steilheit aufweist. Insofern kann ich mir "beliebige" Übergänge vorstellen und quasi im Frequenzbereich konstruieren. Das Filter ergibt sich dann per IFFT.

Grüsse
Uli
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Beitragvon Hans-Martin » 13.01.2015, 20:37

madherm hat geschrieben:dein Versuch mit grosswertigen bzw kleineren Kondensatoren (den ich vom Hoerergebnis nicht in Frage stelle) ueberrascht mich sehr. Niederohmige SIgnalfuehrung sollte in fast allen Belangen besser sein. Deshalb meine Frage: Hast Du wirklich bei deinem Versuch Kondensatoren der gleichen Qualitaet benutzt? Bei hoeheren Werten tendiert man gerne zu bipolaren (oder sogar unipolaren) Elektrolyten, bei kleineren Werten kann man gute Folienkondensatoren verwenden. Ich frage mich daher ob deine Erfahrung nicht eher darauf beruht dass die kleinen Kondensatoren eine bessere Qualitaet hatten?

Hallo Hermann

Nehmen kann man alles, aber befriedigen wird nur weniges. Ein Hersteller, der bei Koppelkondensatoren im Signalweg an der Qualität spart, könnte am falschen Ende sparen. Nein, ich habe mich nicht bei dem Industrieprodukt überzeugt, dass hier derselbe Typ Kondensator eingesetzt wurde, nur in anderer Dimensionierung, wie verlautbart wurde. Wenn DA Dielektrische Absorption ins Spiel kommt, erklärt sich so manches, das reichte mir.

Bei realen Kondensatoren gibt es Verluste, die im idealisierten Schaltbild nicht vorgesehen sind. Ken Kundert schreibt über DA. Wenn 200 Schaltungen kaskadiert werden, machen sich Schmutzeffekte von 200 Kondensatoren additiv bemerkbar, oder sie bleiben unter der Hörschwelle. Letzteres bezweifle ich, denn die vielen Vergleiche in Artikeln zu dem Thema welcher Kondensator... sensibilisieren für den Aspekt. Ein Roederstein MKP klingt anders als ein Intertechnik oder Mundorf, wenn man in jedem Kanal nur einen hat - man stelle sich vor, es seien 200 solcher Fälle kaskadiert, wie deutlich der Unterschied wird, wenn man ihn schon bei einem hören kann.

In dem Handbuch über Low Level Measurement von Keithley ist eine Schaltung beschrieben, die beim Kabel die Kapazität aushebelt, indem das Signal niederohmig vom nachfolgenden OpAmp auf einen umgebenden Schirm der eingehenden Leitung gespeist wird, dadurch wird ein minimiertes elektrisches Feld erzeugt, in dem DA nur noch eingeschränkt stattfinden kann. Davon inspiriert habe ich vor 20 Jahren mit Gleichspannung experimentiert, später kam [url=Audioquest mit seinem DBS]Audioquest mit seinem DBS[/url], allerdings erst 5 Jahre nachdem ich Bill Low 1998 von meiner Methode und den Ergebnissen geschrieben hatte. Ich sehe in der DA eine Parallele zur Hysterese in Spulen, Luftspulen haben keine.

Grüße Hans-Martin
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Beitragvon Rainair » 14.01.2015, 14:12

uli.brueggemann hat geschrieben:Siehe hierzu Beispiel digitaler Subtraktionsweichen mit den Trennfrequenzen 80 Hz, 330 Hz, 1.5 kHz und 6 kHz:

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Hallo Uli,

... ja, diese Filter sehen mal so richtig gut aus ! Im Übergangsbereich schön flach und dann gehts richtig runter. Sag mal, läuft das auch auf einem miniDSP 4x10 oder so ? Wenn ja, das wär´s für mich.

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Beitragvon uli.brueggemann » 14.01.2015, 14:38

Rainair hat geschrieben:Sag mal, läuft das auch auf einem miniDSP 4x10 oder so ? Wenn ja, das wär´s für mich.

Die miniDSP Filter sind meines Wissens nach IIR Filter 2.Ordnung, evtl. hintereinander in Kaskade für höhere Ordnungen.
Damit kannst Du solche Filter wie Neville-Thiele nicht realisieren.

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