Analoges Notch-Filter

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Frash
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Analoges Notch-Filter

Beitrag von Frash »

Liebe Aktiv-Hörer,
für einen Freund, der keine DSPs mag, möchte ich ein Notch- (Kerb-) Filter zur Unterdrückung seiner stärksten Raum-Mode bei knapp über 50 Hz entwerfen. Meine Spice Simulation liefert auch den gewünschten Frequenzgang. Allerdings zeigt die berechnete Sprungantwort ein seeeehr langes oszillierendes Ausschwingen. Daher meine Frage: Hat jemand von Euch schon ein solches, analog mit OPs aufgebautes Filter erfolgreich in der Audio-Kette eingesetzt?
Lieben Gruß
Frank


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uli.brueggemann
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Beitrag von uli.brueggemann »

Ich bin im Lesen von Schaltungen nicht so fit.
Die Filterordnung ist 4? Und was für eine Güte hat das Filter? Je höher die Güte umso länger das Ringing.

Grüsse
Uli
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Hans-Martin
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Beitrag von Hans-Martin »

Hallo,
die Grafik sieht für mich eher nach Güte bei 8-10 aus, das könnte mit Raumresonanzen schon zusammenpassen.
Die Schaltung mit nur 2 Kondensatoren hat mich verblüfft. Gegoogelt und ähnlich hier gefunden .
Das klassische Denken mit Filtern xter Ordnung funktioniert hier nicht mehr, wie das Bainter-Notchfilter zeigt, wo die Open-Loop-Gain der OPs stark in die Filtergüte eingeht, Q=200 mit Minimalismus, 2 C, diverse R, 2 OPs.
Althergebracht und mir vertraut sind Zwillings-T-Filter wie hier ausführlich beschrieben. Allerdings habe ich sowas nie zur Raumkorrektur eingesetzt.
Grüße
Hans-Martin
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Frash
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Beitrag von Frash »

Hallo Uli, Hallo Hans-Martin,
vielen Dank für Eure Antworten.
uli.brueggemann hat geschrieben: 25.04.2023, 17:50 Die Filterordnung ist 4? Und was für eine Güte hat das Filter? Je höher die Güte umso länger das Ringing.
Die Schaltung basiert auf der Wien-Robinson Brücke 2. Ordnung. Um die mögliche Güte zu erhöhen, hat man sie in die Gegenkopplung der OPA Schaltung einbezogen. So lassen sich im Gegensatz zur passiven Version beliebig hohe Güten erzielen.

In meinem Beispiel ist die Güte Q=10 dimensioniert (super geschätzt, Hans-Martin !).

Schade, dass Ihr vor der "Digitalisierung" der Audio-Technik, wie ich, noch keine praktische Erfahrung mit Raumkorrektur sammeln könntet :).
Wenn ich nur die Sprungantwort betrachte, würde ich annehmen, dass eine solche Schaltung für hochwertige Audio-Anwendungen nicht zu gebrauchen ist. Ich werde sie also doch selbst ausprobieren müssen. Der Schaltungsaufwand ist ja sehr gering.

Absolut interessant ist die von Hans-Martin gefundene App-Note zur Bainter-Schaltung, da man hier offensichtlich sowohl Q als auch f (ω) mit jeweils nur einem Widerstand ändern läßt. Muss ich bei nächster Gelegenheit mal durchs Spice jagen :-).

Liebe Grüße
Frank
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Hans-Martin
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Beitrag von Hans-Martin »

Frash hat geschrieben: 26.04.2023, 09:37In meinem Beispiel ist die Güte Q=10 dimensioniert ...

Schade, dass Ihr vor der "Digitalisierung" der Audio-Technik, wie ich, noch keine praktische Erfahrung mit Raumkorrektur sammeln könntet :).
Wenn ich nur die Sprungantwort betrachte, würde ich annehmen, dass eine solche Schaltung für hochwertige Audio-Anwendungen nicht zu gebrauchen ist. Ich werde sie also doch selbst ausprobieren müssen. Der Schaltungsaufwand ist ja sehr gering.
Hallo Frank,
nach meinen Beobachtungen ist die Güte der ersten Raummoden meist in der Nähe von 10, dann passt das schon.
Bei der Sprungantwort wird die Anstiegsflanke von der oberen Grenzfrequenz des Filters verschliffen, das Nachschwingen von der unteren dominiert. Das Notchfilter benutzt beide Frequenzen.
Ich habe sehr wohl Erfahrungen mit Analogtechnik bezüglich Raumkorrektur im letzten Jahrhundet sammeln können. Allderdings galt für mich hier: das konnte man vergessen.
Soundcraftsman produzierte in den 1970ern einen Vorverstärker mit kanalgetrennten Grafik-Oktavequalizer. Den benutzte ich zur Linearisierung meiner DIY- Bose 901 Clones.
Dann habe ich ein Eckhorn in eine Nische zwischen Schornstein und Wand integriert, und das verlangte nach Modenausgleich.
Ein Terzequalizer brachte nicht das gewünschte Ergebnis, das Frequenzraster ist nicht fein genug. Ich habe heute noch den Rotel RY1010 Analyzer mit 1dB Auflösung/Oktave und einfachem Elektret Messmikro, der gibt aber nur ungefähre Orientierung. Mit Oktavschritten kann man nicht viel anfangen. Und ohne Messen ist man letztlich aufgeschmissen.
Die räumliche Abbildung litt auch massiv (sofern man auf solche Aspekte schon geachtet hat).
Das Einstellen ging besser mit einem Technics SH9010, den ich dann mit zusätzlichen Kondensatoren bei allen Frequenzen auf den Bassbereich ausgerichtet habe, um das Ziel zu erreichen. Allerdings war eine Mode bei 50Hz und eine Auslöschung bei 63Hz, was auch die Einstellmöglichkeiten überforderte. Für Heimkino reichte es, bei Michael Jackson flatterten in Hornnähe die Hosenbeine...Das war Mitte der 1990er.
Dann kam 1999 TacT Raumkorrektur und der Beginn einer steilen Lernkurve. das Unvermögen, Auslöschungen vollständig zu kompensieren, Beschäftigung mit Zielkurven, etc. Der Vergleich mit dem auch automatisierten Behringer TerzEQ/ParEQ zeigte Klangunterschiede zugunsten der Dirac-Impulsmessung gegenüber rosa Rauschen.
Wir haben heute so fortgeschrittene digitale Korrektursysteme, dass für mich eine Rückkehr zu Analogsystemen kaum sinnvoll, nur mühsam erscheint. Die haben natürlich dieselben Schwächen bei Ein/Ausschwingvorgängen der Filtern.
Wenn man es schafft, zum LS-/Raum-Verhalten exakt die Frequenz zu treffen und die reziproke Filtercharakteristik zu praktizieren, kann man theoretisch kompensieren und glätten. Aber die damit verbundenen Fallstricke kann Uli benennen, die Grenzen aufzeigen.
Eine Auslöschung der Direktschallwelle bei einer Reflexion (zeitverzögert) ist nicht vollständig korrigierbar. Viele Frequenzgangeinbrüche gehen auf solche Vorgänge zurück. Deshalb würde ich erst mit LS-Platzierung und Hörplatzwahl versuchen, diese zu vermeiden.
Grüße
Hans-Martin,
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Frash
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Beitrag von Frash »

Hallo Hans-Martin,

genau diese Deine Aussage wollte ich hören.
Hans-Martin hat geschrieben: 26.04.2023, 10:23
Ich habe sehr wohl Erfahrungen mit Analogtechnik bezüglich Raumkorrektur im letzten Jahrhundet sammeln können. Allderdings galt für mich hier: das konnte man vergessen.
Dann werde ich meinem Freund das analoge Notch-Filter doch nicht auf's Auge drücken. Du hast mir eine peinliche Blamage erspart. Vielen Dank für die detaillierte Beschreibung Deiner Erfahrungen.

Das Problem mit Auslöschungen und die Unmöglichkeit, diese auch nur annähernd zu Kompensieren, habe ich auch schon machen müssen. Dummerweise habe ich in meinem Hörraum neben der ersten Raummode bei ca. 36 Hz sofort einen breiten Einbruch von ca. 40...70 Herz von mittig fast -25dB. Ein Alptraum. Versuche mit dem Wandabstand des Tieftöners variierten zwar jeweils die Flanken des Einbruchs, änderten jedoch nichts an seiner Breite. Das Stühlerücken hat bei mir also noch längst keine Ende... Aber das ist es doch was wir wollen: Neue Ideen aufgreifen, ausprobieren und (manchmal) eine Verbesserung der Misere erzielen.

Herzlichen Gruß
Frank
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uli.brueggemann
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Beitrag von uli.brueggemann »

Frash hat geschrieben: 26.04.2023, 09:37 Wenn ich nur die Sprungantwort betrachte, würde ich annehmen, dass eine solche Schaltung für hochwertige Audio-Anwendungen nicht zu gebrauchen ist.
Hallo Frank,

neben dem durch die 50 Hz verursachten Ringing zeigt die Spungantwort ja noch ein niederfrequentes und ein sehr hochfrequentes Ringing. Was nicht zum Notch gehört. Ob das nun ein Artefakt der analogen Schaltung oder der Messanordnung ist sei mal dahingestellt ...

Betrachtet man nun das lange Ringing des Notch-Filters so erschrickt der Unbedarfte dann aber doch. Hört/liest man doch überall, dass ein Ringing per se schlecht ist und ein langes Ringing erst recht.

Dazu dann aber ein ein Beispiel zur Einordnung:
Man messe eine Pulsantwort mit einem Sweep von z.B. 100 Hz bis 1 kHz. Der Messton beginnt mit eben den 100 Schwingungen/s und endet mit den 1 kHz. Frequenzen unterhalb und oberhalb werden nicht gespielt. Das hört man denn auch so. Ist ja logisch, oder? Und was soll dabei ringing verursachen? Hören wir nicht, gibt es also auch nicht.
Schaut man sich nun die Pulsantwort dazu an (der Einfachheit nehmen wir an, dass die Messung perfekt dem Sollsignal entspricht) , zeigt diese ein deutliches Ringing vorher und nachher. Was ist nun los?
Tatsächlich entspricht die Messung doch auch einem Vollbereichssweep bei dem ein ideal steiler Hochpass den Bereich unter 100 Hz rausfiltert und ein ideal steiler Tiefpass den Bereich oberhalb von 1 kHz. Solche steilen Filter sind gekennzeichnet als sinc-Filter die mathematisch gesehen sogar ein unendlich langes Vor- und Nachschwingen aufzeigen. Und so sehen wir in der Puls- bzw. Sprungantwort ein "ewiges" Vorschwingen bzw. Nachschwingen. Ringing in reinster Form. Das Ringing ist denn so auch die natürliche Begleiterscheinung. Beim Abspielen des Sweeps hören wir aber nichts davon.

Und so könnte die Erkenntnis reifen, dass das Ringing nicht unbedingt etwas ist, was man hört. Im Fall des 50 Hz Notchfilters ist das denn auch eine 50 Hz Schwingung. Was aber nicht bedeutet dass wir nun 50 Hz hören (die Pulsantwort ist kein Signalton mit 50 Hz) sondern sogar das Gegenteil. Es soll ja die 50 Hz rausnehmen und tut das auch umso besser je länger das Ringing stattfindet.

Fazit: keine Angst vor einem Ringing. Es ist nur dann schädlich wenn man es denn auch wahrnimmt. Was dann typischerweise bedeutet, dass ein Filter ein Signal so verbiegt, dass sich ein Artefakt ungünstig aus dem verbeibenden hörbaren Anteil pegelmäßig und zeitlich hervorschält.

Grüsse
Uli
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uli.brueggemann
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Beitrag von uli.brueggemann »

Frash hat geschrieben: 26.04.2023, 10:41 Dann werde ich meinem Freund das analoge Notch-Filter doch nicht auf's Auge drücken. Du hast mir eine peinliche Blamage erspart.
Das Notch-Filter sollte unproblematisch sein, das es ja einen Peak in der Raumantwort herausnimmt. Vermutlich hat der Peak allerdings eine Güte mit Q kleiner als 10.

Die Korrektur von Reflexionen ist insofern problematisch als dasss man eine Reflexion als Echo betrachten könnte. Und es gibt sogar ein perfektes Echo Cancellation Filter. Was dann aber so ausschaut, dass das Gegensignal (zum Echo) selbst wiederum ein Echo verursacht, was wiederum ein Gegensignal braucht., usw. Das Filter für eine einzelne Reflexion hat dann eine ganze Kette von Impulsen.
Blöd ist dann bloss wenn man dann ein Echo hat, dessen Zeit sich ändert. Dann spielt man Gegenimpulse zum falschen Zeitpunkt und verschlechtert das Resultat. Was dann passiert wenn man sich z.B. im Raum bewegt. Dann ändern sich Reflexionen und auch deren Zeiten.
Fazit: die Raumkorrektur sollte nicht gezielt Reflexionen bekämpfen. Man geht also ander vor.

Im Fall des Notchfilters ist es eher unkritisch. Es nimmt die 50 Hz raus. Es ist eher unwahrscheinlich, dass sich um den Hörplatz herum der Peak drastisch ändert, also z.B. plötzlich bei 52 Hz liegt. Wobei dann auch ein niedrigeres Q hilft.
Klar sollte es aber sein, dass beide Kanäle das Filter brauchen, ansonsten gibt es relative Phasenverschiebeungen zwischen den Kanälen. Was man dann evtl. eher wahrnimmt.

Grüsse
Uli
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Hans-Martin
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Beitrag von Hans-Martin »

Frash hat geschrieben: 26.04.2023, 10:41genau diese Deine Aussage wollte ich hören.
Hans-Martin hat geschrieben: 26.04.2023, 10:23Ich habe sehr wohl Erfahrungen mit Analogtechnik bezüglich Raumkorrektur im letzten Jahrhundet sammeln können. Allderdings galt für mich hier: das konnte man vergessen.
Hallo Frank,
soeben hat Uli auf einen nicht zu unterschätzenden Aspekt hingewiesen:
uli.brueggemann hat geschrieben: 26.04.2023, 11:17Klar sollte es aber sein, dass beide Kanäle das Filter brauchen, ansonsten gibt es relative Phasenverschiebeungen zwischen den Kanälen. Was man dann evtl. eher wahrnimmt.
Da könnte u.a. der Schlüssel liegen, warum analoge Equalizer bei mir die räumliche Abbildung gestört, verwässert haben, weil die absolute Kanalgleichheit gefehlt hat, betreffend die tieffrequenten Filter.
Und bei einem 2.2 System (digital) gelang es mir nicht, nach Gehör die beste Verzögerung für die Hauptlautsprecher einzustellen, solange beide stereo-symmetrisch waren. Kanalabweichungen in der Zeitebene hört man, bei Symmetrie wirds schwer.
Als Uli in einem sehr frühen Stadium von Acourate den entscheidenden Durchbruch beim Behandeln der verschiedenen Kategorien Phase geschafft hatte, war seine Begeisterung über das Resultat in einem Forum unübersehbar: "Space, Space, Space!"
Dann werde ich meinem Freund das analoge Notch-Filter doch nicht auf's Auge drücken. Du hast mir eine peinliche Blamage erspart. Vielen Dank für die detaillierte Beschreibung Deiner Erfahrungen.
Mit 2 identischen Filtern in Stereo könnten die Vorteile dennoch überwiegen.
Es gab IIRC von Canton ein Kästchen zur Basserweiterung, bei B&W Matrix Serie gabe es ähnliches, jeweils in den Tape-Loop einzuschleifen oder zwischen Vor-Endstufe. Der Nutzen im Bass stand einer Verschlechterung im Hochton mit Einbuße der räumlichen Abbildung gegenüber. Also eine weitere Endstufe, horizontales Biamping, Kästchen nur im Bass-Zweig, schon war die Welt wieder in Ordnung. Das war in den 1990ern.
Heute sind wir viel anspruchsvoller und vermuten einen Zusammenhang mit zu simpler Stromversorgung oder steigerungsfähige OPs, außerdem Buchsen, zwar vergoldet, aber darunter vernickelt, möglicherweise ebenso bei den Cinchsteckern und die übliche Kabelproblematik (Sätze zusätzlich erforderlich beim Einschleifen).
Das Problem mit Auslöschungen und die Unmöglichkeit, diese auch nur annähernd zu Kompensieren, habe ich auch schon machen müssen. Dummerweise habe ich in meinem Hörraum neben der ersten Raummode bei ca. 36 Hz sofort einen breiten Einbruch von ca. 40...70 Herz von mittig fast -25dB. Ein Alptraum. Versuche mit dem Wandabstand des Tieftöners variierten zwar jeweils die Flanken des Einbruchs, änderten jedoch nichts an seiner Breite. Das Stühlerücken hat bei mir also noch längst keine Ende... Aber das ist es doch was wir wollen: Neue Ideen aufgreifen, ausprobieren und (manchmal) eine Verbesserung der Misere erzielen.
Ich favorisiere ein 2.2 System mit digitaler Verzögerung der Hauptlautsprecher. Die Bässe stehen in den Ecken, um die (Roy Allison) Auslöschungseffekte zu minimieren, dafür werden die Raummoden stärker angeregt und verlangen nach Korrektur. Durch die bodennahe Abstrahlung aller Frequenzen unter 300/350Hz kommt es nicht zur üblichen Auslöschung des Direktschalls nach verzögerter Bodenreflexion auf dem Weg zum Ohr.
Dennoch bleibt ein FG-Einbruch unvermeidbar, der durch die Reflexion an der Rückwand zum Hörer verursacht wird. Der Hörplatz hat auch seine Problematik, nicht nur die LS-Platzierung.
Mit Simulation kommt man solchen Dingen auf die Spur.
Es ist üblich, dass die LS-Hersteller alles in eine Kiste einbauen. Es ist erkennbar, dass man diese dann nicht ohne Auslöschung im Raum aufstellen kann. Da bleibt nur noch die Frage, wie man das geringste Übel findet.
Mit digitaler Verzögerung und der Trennung von Bass und BMT-HT kann man viel erreichen, hat allerdings 4 Kisten im Raum.
Grüße
Hans-Martin
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Frash
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Beitrag von Frash »

Hallo Uli,

da hast Du den Nagel auf den Kopf getroffen, unglaublich!
Zuerst dachte ich, dass der von mir mehr zufällig gewählte OpAmp LT1028 vielleicht gar nicht unity-gain fähig ist und ich ihn mit der Verstärkung A0=1 zum Schwingen gebracht hätte. Nach Blick ins Datenblatt konnte ich dies als Fehlerquelle aber ausschließen.
uli.brueggemann hat geschrieben: 26.04.2023, 10:58
Tatsächlich entspricht die Messung doch auch einem Vollbereichssweep bei dem ein ideal steiler Hochpass den Bereich unter 100 Hz rausfiltert und ein ideal steiler Tiefpass den Bereich oberhalb von 1 kHz. Solche steilen Filter sind gekennzeichnet als sinc-Filter die mathematisch gesehen sogar ein unendlich langes Vor- und Nachschwingen aufzeigen. Und so sehen wir in der Puls- bzw. Sprungantwort ein "ewiges" Vorschwingen bzw. Nachschwingen. Ringing in reinster Form. Das Ringing ist denn so auch die natürliche Begleiterscheinung. Beim Abspielen des Sweeps hören wir aber nichts davon.
Meine Simulation hatte ich tatsächlich in den Grenzen 10 Hz...1 kHz durchgeführt. Und das Schwingen in der Impulsantwort zeigt genau diese zwei Komponenten, neben der 50 Hz des Notch Filters.
Kurz die Gegenprobe gemacht und den Frequenzbereich der Simulation auf 1 Hz ... 10 kHz erweitert und siehe da: In der FFT sieht man jetzt genau die Komponenten 1 Hz, 50 Hz und 10 KHz (erscheint in der Grafik als dicke Linie, erst beim rein-zoomen als Schwingung erkennbar).

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Tut mir echt leid, dass ich Dich mit solchen Anfängerfragen auf Trab halte. Deshalb ein ganz dickes Dankeschön für Deine wissenschaftliche Analyse.
Und ich werde also doch das Notchfilter probehalber aufbauen und natürlich hier über meine Erfahrungen berichten.

Gruß
Frank
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Frash
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Beitrag von Frash »

Hallo Hans-Martin,
Hans-Martin hat geschrieben: 26.04.2023, 13:45
Ich favorisiere ein 2.2 System mit digitaler Verzögerung der Hauptlautsprecher. Die Bässe stehen in den Ecken, um die (Roy Allison) Auslöschungseffekte zu minimieren, dafür werden die Raummoden stärker angeregt und verlangen nach Korrektur. Durch die bodennahe Abstrahlung aller Frequenzen unter 300/350Hz kommt es nicht zur üblichen Auslöschung des Direktschalls nach verzögerter Bodenreflexion auf dem Weg zum Ohr.
Dennoch bleibt ein FG-Einbruch unvermeidbar, der durch die Reflexion an der Rückwand zum Hörer verursacht wird. Der Hörplatz hat auch seine Problematik, nicht nur die LS-Platzierung.
Mit Simulation kommt man solchen Dingen auf die Spur.
Es ist üblich, dass die LS-Hersteller alles in eine Kiste einbauen. Es ist erkennbar, dass man diese dann nicht ohne Auslöschung im Raum aufstellen kann. Da bleibt nur noch die Frage, wie man das geringste Übel findet.
Mit digitaler Verzögerung und der Trennung von Bass und BMT-HT kann man viel erreichen, hat allerdings 4 Kisten im Raum.
Die 4 Kisten habe ich ohnehin. Bisher stehen sie aufeinander. In den unteren Kisten befinden sich Tieftöner (TIW360X) ähnlich denen oben (Visaton TIW360), die momentan nach hinten strahlen. Mit denen kann ich in Grenzen eine Wandnahe Aufstellung probieren. Danke für den Tipp!

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Gruß
Frank
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