Phasenrichtige Hochtöneranbindung

Lautsprecherbau und -tuning

Phasenrichtige Hochtöneranbindung

Beitragvon Koala887 » 06.07.2015, 19:12

Aus dem passiven Lautsprecherbau kenne ich die Vorgehensweise, die Frequenzweiche so auszulegen, dass die akustische Übertragungsfunktion der einzelnen Chassis mit der gewünschten Weichencharakteristik (Flankensteilheit und Güte) möglichst gut übereinstimmt.
Aus dem aktiven Bereich kenne ich meist nur die Verwendung von Standardweichen. Sehr beliebt ist hier z.B. die Linkwitz-Riley Weiche mit 24dB/okt, welche in beiden Zweigen die gleiche Phasenverschiebung aufweist, sodass sich beide Zweige ideal addieren.
Die akustische Übertragungsfunktion der Lautsprecher wird hierbei aber nicht berücksichtigt. Jeder Lautsprecher stellt ja auch einen bestimmten Hochpass mit entsprechender Güte dar. Dieser Hochpass bewirkt eine zusätzliche Phasenverschiebung, wodurch eine optimale Addition der beiden Wege nicht mehr gegeben ist.
Im folgenden Bild sieht man eine 2-Wege Box mit einer 24dB LR-Weiche, Trennfrequenz 2kHz. Rot sind beide Chassis in Phase, blau ist mit invertiertem Hochtöner:
Bild
Der Theorie nach müsste sich bei gleichgepolten Chassis der bessere FG ergeben, aber bei beiden Varianten ist die Addition nicht ideal. Durch den akustischen Hochpass des Hochtöners erhält man letztendlich einen 36dB HP, wodurch die Phasengleichheit nicht mehr gegeben ist.

Man müsste also den akustischen HP mit in die Weiche einbeziehen, allerdings haben die wenigsten Hochtöner den in diesem Fall erforderlichen Rolloff bei 2kHz mit einer Güte von 0,707.
Siegfried Linkwitz weisst auf seiner HP aber darauf hin, dass man die Linkwitz Korrektur auch dazu verwenden kann, um einem Hochtöner ein bestimmtes Übertragungsverhalten anzuerziehen. Man muß hierzu nur die Resonanzfrequenz und die Güte des Lautsprechers und die Zielwerte kennen und die Schaltung macht dann den Rest.

Jetzt ist es aber nicht ganz trivial diese Werte möglichst genau zu messen, aber es gibt einen Trick, mit dem man doch recht genau auf die Werte kommt. Man nimmt den Frequenzgang des Hochtöners und hinterlegt ihn als Ausgangskurve in einem DSP Program, erstellt einen 12dB Hochpass und verändert Frequenz und Güte so lange, bis beide Kurven möglichst übereinander liegen. Mit diesen Werten erstellt man dann eine Linkwitz Korrektur, wobei man dann auch wieder mit den Werten spielen kann, bis sie der gewünschten Übertragungsfunktion entspricht.
Hier sieht man den ursprünglichen FG (1,25kHz,Q1,4; rot), die Zielfunktion (grün) und die korrigierte Kurve (blau):
Bild
An der Bezeichnung der korrigierten Kurve sieht man auch, dass die anfänglich ermittelten Werte nicht ideal waren und noch etwas verändert wurden. Die ursprüngliche Senke bei etwa 2,5kHz wurde dadurch noch etwas angehoben.
Die beiden Wege addieren sich jetzt besser und es bleibt nur noch eine leichte Senke übrig:
Bild
Diese Senke kommt durch den mechanischen Versatz der beiden Chassis, welchen man jetzt noch mit einem Delay ausgleichen kann. Dazu verpolt man am besten ein Chassis und erhöht solange die Zeit, bis der entstandene Dip im FG am größten ist.
In diesem Fall habe ich ein Delay von ca. 80µs ermittelt, welches ich dann mit einem Allpass dritter Ordnung aufgebaut habe:
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Viel Spass beim nachmachen. :cheers:

Schöne Grüße
Daniel
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Beitragvon FoLLgoTT » 06.07.2015, 21:33

Der einfachere und allgemeingültigere Weg ist, jeden Zweig ca. eine Oktave über die Trennfrequenz hinaus minimalphasig zu entzerren. Wenn dann die Trennfrequenz angewendet wird, passt auch die Phase automatisch.

Um danach die richtige Verzögerung herauszufinden, einfach einen Zweig invertieren bis der Einbruch maximal ist. Anschließend die Polung wieder richtig einstellen. Fertig. :)

Mit diesen beiden Schritten (plus Pegelanpassung) wird jeder Lautsprecher in wenigen Minuten korrekt eingestellt. Voraussetzung ist allerdings eine Messumgebung mit keinen oder späten Reflexionen. Eine Messung in 2 m Höhe im Garten eignet sich z.B. gut. An der Reflexion vom schallharten Boden sieht man schön, wo man die rechte Seite des Fensters setzen muss.
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Beitragvon phase_accurate » 07.07.2015, 09:05

Mir als "Inschenör" gefällt der erste Ansatz an sich besser. D.h. Eine Uebertragungsfunktion zu finden, welche zusammen mit der natürlichen Uebertragungsfunktion der beteiligten Treiber die Zielfunktion ergibt. Wenn man eine Weiche später "in Hardware giessen" will gibt es häufig sehr einfache Topologien - wenn man weiss wie !

Hier noch zwei Tricks, welche nicht neu sind, aber häufig nicht erwähnt werden: Ein biquadratisches Filter lässt sich durch entsprechend gewichtetes Summieren seiner Ausgänge (HP, BP und LP) auch als Linkwitz Koprrektur verwenden. Wenn die Korrektur innerhalb der Grenzen liegt, was man auch mit der Linkwitz Schaltung machen könnte (Die Schaltung von Linkwitz funktioniert nich mit beliebigen Polfrequenzen und Güten im Gegensatz zum klassichen biquadratischen Filter), ergibt dies zunächst scheinbar keinen Vorteil. Falls man aber diese Schaltung mit separaten Summierern für den Hochton und den Tieftonzweig verwendet, hat man 1.) die Korrektur für beide Zweige mit fast derselben Hardware erledigt und 2.) z.B. die Hälfte einer LR4 Weiche für beide Zweige schon realisiert.

Der andere Trick ist, anstatt einer Linkwitz Korrektur nur eine grobe Annhäherung einer solchen durchzuführen. Ich habe letzten Herbst mit einer PA Woofer- und Horn- Kombination etwas herumgespielt und dieses Prinzip bei dem Hochtonzweig 3. Ordnung verwendet und es hat gut funktioniert. Die Annäherung basiert auf einer Addition des Ausgangssignals eines Hochpasses 2.Ordnung (oder entsprechend einem Tiefpass für den Tieftonzweig) und dem entsprechend gedämpften (=skalierten) Eingangssignal dieses Filters. Das ergibt dann so etwas wie ein Shelving Filter 2. Ordnung. Dies ist zwar nur eine Annäherung an die Linkwitzkorrektur, funktioniert aber um Welten besser als dz.B. as kompette "Unterschlagen" der Hochtöner Uebertragungsfunktion.

Gruss

Charles
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Beitragvon FoLLgoTT » 07.07.2015, 11:19

phase_accurate hat geschrieben:Mir als "Inschenör" gefällt der erste Ansatz an sich besser.


Ich bin übrigens auch "Inschenör". Allerdings eher in die digitale Richtung. ;)

Für analoge Schaltungen ist der erste Ansatz sicher der einfachere und bessere. Digital hat man jedoch bei meinem Vorschlag den Vorteil, mit den Trennfrequenzen beliebig zu experimentieren. Man schafft ja erst einmal saubere Grundvoraussetzungen auf die man jedes Filter anwenden kann.

Da die Trennfrequenzen sehr stark das Abstrahlverhalten beeinflussen, kann die Zeit für eine Iteration sehr klein gehalten werden.

Sprich:

- Filter setzen
- Winkelmessungen
- zurück zu Start

Kurze Iteration = schnellerer Fortschritt. :D
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Beitragvon phase_accurate » 07.07.2015, 13:39

Das das schneller geht glaube ich sofort. Ich finde es trotzdem etwas unelegant. Zumal je nach Weichentopologie/Filtertyp eine Entzerrung von nur gerade einer Oktave über die Trennnfrequenz hinaus etwas knapp sein kann.

Gruss

Charles
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Beitragvon Koala887 » 07.07.2015, 22:11

Hallo zusammen,
meine Beschreibungen beziehen sich alle auf eine analoge Weiche. Der DSP dient nur zur schnelleren Iteration. :wink:
FoLLgoTT hat geschrieben:Der einfachere und allgemeingültigere Weg ist, jeden Zweig ca. eine Oktave über die Trennfrequenz hinaus minimalphasig zu entzerren. Wenn dann die Trennfrequenz angewendet wird, passt auch die Phase automatisch.

Ich habe mal die Linkwitzweiche simuliert und im Hochtonzweig noch einen 500Hz/12dB Hochpass als Hochtönerfrequenzgang hinzugefügt (dieser ist bis ca. 1kHz linear). Denn Tieftöner nehme ich mal als ideal an:
Bild
Der Frequenzgangeinbruch im oberen Plot ist nicht besonders tragisch, aber bei der Trennfrequenz sind die beiden Phasen 20 Grad auseinander, bei 1kHz sind es schon 43 Grad...

Schöne Grüße
Daniel

P.S.: Isch bin kein Inschenör, finde aber meine Methode richtiger. :wink:
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Beitragvon cay-uwe » 07.07.2015, 23:15

Daniel,

sorry, weil das sich hier so entwickelt hat, ich bin zwar Inschenör, sage Dir aber, "don't worry and be happy", denn ich kenne keinen Lautsprecher bei den die Filtercharakteristik aus akustischer Sicht tatsächlich gestimmt hat. Außerdem, kannst Du für eine Simulation einen Part ( in Deinen Fall Hochtöner ) als real annehmen ( 500Hz Hochpass ) und zum Anderen das Roll Off vom Tieftöner ( üblicherweise 12dB Tiefpass ) nicht berücksichtigen. Das wird zwangsläufig zu Fehlern führen.

Im großen und Ganzen funktioniert einen Übernahme gut wenn sich beiden Filterflanken akustisch symmetrisch zeigen.

Man muss aber auch bedenken, dass typische Hochtöner, wegen deren mechanischen Einbau, dem Tieftöner etwas voreilen ( Stichpunkt Schallentstehungsorte ( SEO ) ). Das müsste auch berücksichtigt werden :wink:
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Beitragvon FoLLgoTT » 08.07.2015, 07:46

Koala887 hat geschrieben:Ich habe mal die Linkwitzweiche simuliert und im Hochtonzweig noch einen 500Hz/12dB Hochpass als Hochtönerfrequenzgang hinzugefügt (dieser ist bis ca. 1kHz linear). Denn Tieftöner nehme ich mal als ideal an:


Mit so flachen Filtern muss wohl weiter deutlich als eine Oktave über die Trennfrequenz hinaus linearisiert werden. Da ist deine Methode wahrscheinlich wirklich die bessere. Ich trenne nie so flach, daher klappt meine Methode immer sehr gut.
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Beitragvon Koala887 » 08.07.2015, 09:23

Hallo Cay Uwe,
cay-uwe hat geschrieben:Außerdem, kannst Du für eine Simulation einen Part ( in Deinen Fall Hochtöner ) als real annehmen ( 500Hz Hochpass ) und zum Anderen das Roll Off vom Tieftöner ( üblicherweise 12dB Tiefpass ) nicht berücksichtigen. Das wird zwangsläufig zu Fehlern führen.

du meinst sicher "nicht", da hast du natürlich recht. :cheers:
Geht man aber von einem geregelten Tieftöner aus, welcher eine untere Grenzfrequenz von irgendwo um 1Hz hat, kommt das schon ganz gut hin. :wink:
cay-uwe hat geschrieben:Man muss aber auch bedenken, dass typische Hochtöner, wegen deren mechanischen Einbau, dem Tieftöner etwas voreilen ( Stichpunkt Schallentstehungsorte ( SEO ) ). Das müsste auch berücksichtigt werden :wink:

Dafür war ja dann auch der Allpass im ersten Beitrag.
FoLLgoTT hat geschrieben:Mit so flachen Filtern muss wohl weiter deutlich als eine Oktave über die Trennfrequenz hinaus linearisiert werden. Da ist deine Methode wahrscheinlich wirklich die bessere. Ich trenne nie so flach, daher klappt meine Methode immer sehr gut.

Mit welchen Flankensteilheiten trennst du denn? 24dB in einer Analogweiche ist für mich schon recht steil.

Schöne Grüße
Daniel
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Beitragvon FoLLgoTT » 08.07.2015, 09:57

Koala887 hat geschrieben:Mit welchen Flankensteilheiten trennst du denn? 24dB in einer Analogweiche ist für mich schon recht steil.


Ups, falsch gelesen. Ich ging von 12 dB aus, aber das war ja ohne die Flanke des Hochtöners. Ja, 24 dB sind natürlich nicht mehr flach. :)

Ich trenne schon lange nicht mehr analog, sondern nur noch digital. Ich setze in meinem Heimkino-3-Weger 24 dB/Okt und 48 dB/Okt ein, aber für mein aktuelles Konzept (Seite 15) reichen IIR-Filter nicht mehr aus. Daher greife ich jetzt auf Horbach-Keele-Filter zurück, also FIR.
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Beitragvon cay-uwe » 08.07.2015, 10:23

Koala887 hat geschrieben:
...

Geht man aber von einem geregelten Tieftöner aus, welcher eine untere Grenzfrequenz von irgendwo um 1Hz hat, kommt das schon ganz gut hin. :wink:


Ich meine das Roll Off am oberen Ende des Übertragungsbereich

Koala887 hat geschrieben:
cay-uwe hat geschrieben:Man muss aber auch bedenken, dass typische Hochtöner, wegen deren mechanischen Einbau, dem Tieftöner etwas voreilen ( Stichpunkt Schallentstehungsorte ( SEO ) ). Das müsste auch berücksichtigt werden :wink:

Koala887 hat geschrieben:Dafür war ja dann auch der Allpass im ersten Beitrag.


Da hätte ich mal etwas genauer lesen sollen :wink:
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Beitragvon phase_accurate » 08.07.2015, 12:57

Da Tiefpassfilter innerhalb ihres Uebertragungsbereichs eine mehr oder weniger konstante Gruppenlaufzeit aufweisen, kann zur Kompensation des elekroakustischen Tiefpassfilters mit Namen Woofer, in manchen Fällen das simple Verzögern des Hochtöners angewendet werden.
Rentabel ist das auf der elektronischen Seite allerdings nur mit digitalen Lösungen, da dort ein konstantes Delay die einfachste Aufgabe ist - bei analogen Lösungen hingegen ist es die aufwendigste. Mechanisch geht das leichter, ist dafür nicht immer hübsch anzusehen.

Gruss

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Beitragvon FoLLgoTT » 08.07.2015, 13:43

phase_accurate hat geschrieben:Mechanisch geht das leichter, ist dafür nicht immer hübsch anzusehen.


Und erzeugt zusätzliche Kantendiffraktionen und Störungen im Abstrahlverhalten. Das ist im Grunde die schlechteste Lösung.
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Beitragvon Koala887 » 08.07.2015, 14:04

cay-uwe hat geschrieben:Ich meine das Roll Off am oberen Ende des Übertragungsbereich

Ok, das kommt dann wieder auf den Tieftöner an. In meinem Fall war es ein 13er, welcher erst über 9kHz merklich abfällt. Der Hochtöner fällt ab 11khz langsam ab.
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Beitragvon O.Mertineit » 08.07.2015, 16:12

Koala887 hat geschrieben:Aus dem passiven Lautsprecherbau kenne ich die Vorgehensweise, die Frequenzweiche so auszulegen, dass die akustische Übertragungsfunktion der einzelnen Chassis mit der gewünschten Weichencharakteristik (Flankensteilheit und Güte) möglichst gut übereinstimmt.
...

Hallo Daniel, Hallo zusammen,

weil im Eingangspost auch passive Filter angesprochen wurden, ergänze ich diese Links zu akustischen Butterworth Filtern, wie sie von KEF vorgeschlagen und angewendet wurden:

http://www.kef.com/uploads/files/en/kef ... ilters.pdf

http://www.kef.com/uploads/files/en/mus ... vement.pdf

Grüße Oliver
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