Hochpassfilter für Satelliten an passiven Subwoofern! mit Messbeispiel.

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ton-feile
Inventar

#1 erstellt: 22. Jan 2011, 18:29

Hallo Zusammen,

Passive Subwoofer haben oft auch hochpassgefilterte Ausgänge für die Satelliten.

Diese sind, wenn sie nicht genau auf die Sats ausgelegt wurden, aus klanglichen Gründen idR nicht zu empfehlen.

Ich habe mal quick&dirty ein paar Messungen zum Thema "passive Sat-Hochpässe" gemacht.

In der Regel besteht so ein Hochpass-Filter nur aus einem Kondensator (6dB/Okt-Hochpass), der dann in Reihe zum Satelliten liegt und es ist kein Problem, ihn einfach ungenutzt zu lassen.

In einem anderen Thread habe ich aber gelernt, dass es auch passive Subwoofer mit 12dB/Okt Hochpässen gibt und hier kann es fatal sein, die Sat-Klemmen unbeschaltet zu lassen, denn es entsteht dann ein Saugkreis, der zu einem Impedanzminimum führt, das so niedrig ist, wie der Innenwiderstand der verwendeten Spule.

So sieht der Impedanzgang aus, wenn man einen 12dB Hochpass einfach offen lässt (der rote Graph):

Die Impedanz sinkt auf knapp ein Ohm bei 120Hz und man kann nur hoffen, dass es entsprechende Warnhinweise an solchen Subs gibt. Eine Möglichkeit, dem Verstärker den Stress zu ersparen, besteht darin, einen Widerstand als Sat-Dummy anzuschließen.
Der blaue Graph zeigt, wie der Impedanzgang mit einem 8,2 Ohm Widerstand aussieht.

Der Sat-Lautsprecher ist ein Yamaha NS10M Nearfield-Moni mit geschlossenem Gehäuse und 8 Ohm Nennimpedanz.
Den habe ich erst mit einem 6dB Hochpass (165µF), dann mit einem 12dB Hochpass (117µF/15mH) beschaltet. Beide sind auf 120Hz Trennfrequenz und 8 Ohm Last ausgelegt.

Das Problem bei passiv gefilterten Satelliten liegt darin, dass der Sat keinen konstanten Widerstand hat. Wenn es sich wie in meinem Beispiel um ein geschlossenes Gehäuse handelt, entsteht eine Impedanzspitze, die genau da liegt, wo der Bassmitteltöner im Gehäuse seine Resonanzfrequenz hat.
Es gibt dann eine Wechselwirkung zwischen dem Hochpassfilter und der Impedanzspitze, die den Frequenzgang "versaubeutelt".

Hier ist eine Impedanzmessung der NS10M zwischen 20Hz und 500Hz (der rote Graph):

Die Resonanzfrequenz liegt um 95Hz. Damit dann in den Frequenzgangmessungen deutlicher wird, wie sich die Imp-Spitze auswirkt, habe ich sie mit einer Schaltung entzerrt. Das ist der blaue Graph. Wie man sieht, ist die Linearisierung nicht ganz perfekt, aber für diesen Zweck völlig ausreichend.

OK, dann geht es mit den Frequenzgangmessungen los.
Rot ist immer der unbeschaltete Lautsprecher.
Blau der Lautsprecher mit Hochpass.
Türkis mit Hochpass und Impedanzlinearisierung.

Der 6dB Hochpass:

NS10M Original vs Hochpass vs Hochpass+Implin

Der Pegelgewinn um die Impedanzspitze herum ist gut zu sehen. Erst mit der Impedanzlinearisierung macht der Hochpass, was er soll.

Der 12dB Hochpass:

NS10M Original vs 12dBHochpass vs 12dB HP+ImpLin

Hier ist es noch krasser und der Sat wird bei 100Hz ordentlich dröhnen.

Eine Impedanzlinearisierung besteht aus einer Reihenschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule.
Das Ganze wird dann parallel zum Sat geschaltet. Eine solche Schaltung ist ohne Messtechnik und Simulation kaum hinzukriegen.

Für die, die die Hochpässe ihres passiven Subs nutzen müssen, weil sie keinen zweiten Amp haben und Impedanzprobleme bekommen würden, wenn Sats und Sub direkt am Amp hängen, gibt es noch eine andere Möglichkeit, den Impedanzverlauf und damit den Frequenzgang der Sats zu verbessern.
Dazu wird einfach ein Widerstand parallel zum Sat geschaltet. Man muss natürlich darauf achten, dass der Gesamtwiderstand dabei nicht zu niedrig wird.

Hier habe ich parallel zu meinem 8 Ohm-Sat mal einen 15 Ohm Widerstand geschaltet.
Der Impedanzgang sieht dann so aus:

Das Impedanzniveau sinkt insgesamt, aber die Schwankungen fallen dafür sehr viel milder aus.

Hier sieht man die Auswirkung auf den Frequenzgang:

NS10M 12dB-HP mit / ohne Implin, Widerstand als Implin

Der hellgrüne Graph zeigt den Frequenzgang mit 12dB Hochpass und 15 Ohm Widerstand. Das "Aufbuckeln" wird schon deutlich gemildert, auch wenn es mit der richtigen Linearisierung natürlich am Besten funktioniert.

Man kann einen Hochpass bei richtiger Auslegung aber auch gezielt nutzen, um mehr Bass aus einem Lautsprecher zu kitzeln. Es gibt einige Konstrukte mit 6dB Hochpässen.

Noch wirksamer geht es mit 12dB.
Infinity hat das zum Beispiel bei den Kappas gemacht.
Dazu wird der Hochpass so dimensioniert, dass er "überschwingt". Das gibt dann einen ordentlichen Pegelgewinn, muss aber mit "Impedanzfutter" bezahlt werden.
Bei den Ur-Kappas hat der Entwickler imO ziemlich übertrieben und teilweise die Impedanz im Bass auf 0,8 Ohm gedrückt, was sie zu berüchtigten Verstärkerkillern gemacht hat.

Hier habe ich den NS10M spasseshalber noch einen kappamäßigen Hochpass gegönnt.

Zwischen 50Hz und 100Hz gibt es einen satten Pegelgewinn, aber dafür sinkt die Impedanz entsprechend.

So, genug geschwurbelt. Vielleicht fand es ja der eine oder andere interessant.

Gruß
Rainer

[Beitrag von ton-feile am 22. Jan 2011, 18:41 bearbeitet]

Don-Pedro
Inventar

#2 erstellt: 22. Jan 2011, 23:32

Auf jeden Fall!

doeter
Inventar

#3 erstellt: 23. Jan 2011, 01:03

Hi

Sehr schön veranschaulicht. Sollte gepinnt werden. Du darfst dafür 2 Stunden früher gehen, und nimm Dir nen Keks

Gruß

der doeter

beehaa
Gesperrt

#4 erstellt: 23. Jan 2011, 13:19

Erstmal: KLASSE JOB!

Ok, dann tue ich jetzt mal so als wenn ich bei dem Thema ganz frisch wäre

Keine Behauptungen, nur paar Thesen. Ich denke und hoffe das klärt sich im weiteren Verlauf des Threads. Ich muß aber auch zugeben, daß bei den vielen Versuchen ich teils leicht die Übersicht verliere was jetzt nur zum Test, was zur unveränderten Weichen und was zu der Endlösung gehört.

"Der Lautsprecher dröhnt", gilt das für Pegel über 100dB? Oder ab gehobener Zimmerlautstärke oder ab wann? Weil, da steht ja nichts über "neigt bei sehr hohen Pegeln, die er sonst noch meisteren würde, merkbar eher zum Dröhnen" oder sowas. Thema: praxisrelevante Nachteile.

Man sollte das nicht nur aus der Sicht des Satellits betrachten, sondern des ganzen Lautsprechersystems. Passiver Sub aus irgendeiner Kombi mit 2 "falschen" Satelliten. Da fällt es mir bei den Diagrammen auf, daß der Kampf um mehr Linearität auf dem Satellit zwar brauchbar ausgefochten werden kann, der Pegel nimmt größtenteils aber ab. An einem passiven Sub dran.
Da man am fertigen passiven Sub ohne Umbautricks nichts regeln kann, bedeutet das doch, daß der Sub gleichlaut bleibt, die Satelliten werden aber leiser. Auch wenn die Satelliten jetzt also linearer klingen, tritt der Sub in den Vordergrund und dann wird der Sound des Gesamtsystems wohl eher drunter leiden als von der verbesserten Linearität der Satelliten profitieren.
Bassteppiche werden zur Basswänden die sich vor den Satelliten aufstellen.

Ich halte einen solche passiven Sub für eine sehr preiswerte und für Normalos mit Kompaktboxen, sprich: nicht nach dem Bass verrückte Heimkinofreaks, ausreichende Alternative. Für Stereo wie Heimkino. Was den Tiefton angeht. Man erinnert sich nur kurz an Teufels M200 + M6000 Kombi und jedem anderen damaligen kompakten 2.0 "System". Und sollte nicht vergeßen, daß brauchbare aktive Subs mind. ~160€ kosten. Das ist für Leute mit einem 250€ AV-Amp alleine für einen Tieftonlautsprecher eine Stange Geld.

Bei solchen Leuten erwarte ich dann schon eher auch recht preiswerte Boxen. Keine grausigen, aber bisschen unterhalb der 381 Nubert. Wenn ich mir im dritten Diagramm die blaue Linie da ansehe, wo sie nicht ganz linear verläuft, dann ist das eigentlich der Bereich des Spektrums wo solche Boxen eher schwächer auftreten. Das dürfte den Klang in solchen Fällen also eigentlich eher verbessern.
Nicht nur vom Pegel alleine, sondern von der wahrgenommenen Tonpräsenz könnte man mit bisschen Glück dann aus einer 311 Nubert vielleicht eine 381 machen

Der Buckel der sich meistens zwischen 90 Hz und 110 Hz abspielt, scheint mir auch gekonnt den Übergang vom Sub zum Satellit zu überspielen und vielleicht von den Entwicklern auch genau so gewollt zu sein (?) Der Übergang ist beim fertigen passiven Sub halt nicht einstellbar und könnte sonst im ungünstigen Fall recht hart hörbar ausfallen. Das wäre also der nächste Vorteil. (nicht vergeßen, es sind nur Thesen)

Die harte These ist, ich erwarte von solchen Umbauten keine pauschale Verbesserung. Man kann mit der Linearisierung und gleichzeitigen Pegelabsenkung an den Satelliten genausoviel am "Gesamtton" verbessern wie verschlimmern. Subjektiv tendiere ich eher zu der Behauptung, es wird meist schlimmer, wenn der Pegel der Satelitten absinkt.

Weit "universellere" Methode erscheint es mir an den Satelliten-Klemmen eines 12dB/Hochpass-Subs die 8.2 Ohm Widerstände anzuschliessen und es "getrennt" am Anschluß B des Verstärkers zu betreiben. Sobald man herausgefunden hat, ob man einen 6dB/Hochpass oder 12dB/Hochpass Sub hat

Ich würde aber schätzen, daß die meisten passiven Subs aus irgendwelchen Kombis von damals einen 12dB/Hochpass haben.

Bis dann mal.

[Beitrag von beehaa am 23. Jan 2011, 14:11 bearbeitet]

ton-feile
Inventar

#5 erstellt: 23. Jan 2011, 15:09

Hi,

beehaa schrieb:

"Der Lautsprecher dröhnt", gilt das für Pegel über 100dB? Oder ab gehobener Zimmerlautstärke oder ab wann? Weil, da steht ja nichts über "neigt bei sehr hohen Pegeln, die er sonst noch meisteren würde, merkbar eher zum Dröhnen" oder sowas. Thema: praxisrelevante Nachteile.

Der Lautsprecher dröhnt, weil er mit einem 12dB-HP beschaltet, bei 100Hz ohne Impedanzlinearisierung fast 10dB zu laut ist. Das hat mit dem Abhörpegel nichts zu tun, sondern damit, dass es dann bei 100Hz sehr lange dauert, bis der Lautsprecher zur Ruhe kommt.

Zeit- und Frequenzverhalten sind über die Fouriertransformation direkt miteinander verknüpft.
Das bedeutet, dass sich eine Frequenzgangüberhöhung im Zeitbereich als Verzögerung/längeres Nachschwingen zeigt.

Hier sind ein paar "Wasserfälle", die recht anschaulich darstellen, wie schnell oder langsam die Resonanzen abklingen. Außerdem noch die Sprungantworten, die das auch recht plakativ zeigen.

NS10 unbeschaltet:

Die NS10 sind ziemlich "schnell".

Mit 12dB Hochpass:

Die Resonanz bei 100Hz klingt nur langsam ab, also wird es dröhnen.

Mit 12dB Hochpass und ImpedanzLinearisierung:

Es ist nur noch ein kleiner Rest der Reso zu sehen.

Die Überhöhungen sind vom Entwickler sicher nicht gewollt, sondern zeigen nur, dass passive Hochpässe für Satelliten nicht universell einsetzbar und oft sogar abgesehen vom Endstufenschutz vor zu niedrigen Impedanzen, schlichtweg unbrauchbar sind.
Da beißt die Maus keinen Faden ab.

Wie man sich mit einem Parallelwiderstand behelfen kann, habe ich ja schon im Eingangsposting beschrieben.
Ein schlauer Entwickler wird den Parallel-Widerstand evtl. sogar schon fest einbauen, denn er verhindert schließlich auch das Impedanzminimum, wenn kein Sat angeschlossen wird.

beehaa schrieb:

Da fällt es mir bei den Diagrammen auf, daß der Kampf um mehr Linearität auf dem Satellit zwar brauchbar ausgefochten werden kann, der Pegel nimmt größtenteils aber ab. An einem passiven Sub dran.
Da man am fertigen passiven Sub ohne Umbautricks nichts regeln kann, bedeutet das doch, daß der Sub gleichlaut bleibt, die Satelliten werden aber leiser.

Natürlich werden die Satelliten nur in dem Frequenzbereich leiser, in dem der Hochpass wirksam ist.

Dafür ist er ja schließlich da.

Gruß
Rainer

beehaa
Gesperrt

#6 erstellt: 23. Jan 2011, 15:33

ton-feile schrieb:

Gekauft.

Natürlich werden die Satelliten nur in dem Frequenzbereich leiser, in dem der Hochpass wirksam ist.

Dafür ist er ja schließlich da. ;)

Wie gesagt blick ich bei den Diagrammen im ersten Beitrag nicht ganz was jetzt für die Satelliten und was für das Gesamtkonstrukt gilt und wann der NS10 "original" alleine und wann "original" am Sub hängt. Schon bisschen schwierig

Beim diesem Beitrag jetzt ist es bisschen klarer

Ich kann nur noch nicht herausarbeiten, ob es eine geben könnte und wie so eine halbwegs universelle Schaltung mit 2x 8 Ohm am passiven Sub aussehen müßte. Wenigstens eine geringe Milderung der Effekte ohne die Boxen auseinanderkloppen zu müßen. Läßt sich draus kein "ton-feile-modul" basteln?8)

Den Peak zwischen ~95 Hz und ~110 Hz halte ich der Erfahrung nach bei passiven Subs aus Sets mit "faschen Satelliten" dran für algemein vorhanden.

p.s.:
Eine andere Frage wäre es wie sich das verhält, wenn die falschen Satelliten KEIN geschlossenes Gehäuse haben. Du unterstreicht das ja besonders.

[Beitrag von beehaa am 23. Jan 2011, 17:26 bearbeitet]

ton-feile
Inventar

#7 erstellt: 23. Jan 2011, 20:46

Hi,

beehaa schrieb:

Eine andere Frage wäre es wie sich das verhält, wenn die falschen Satelliten KEIN geschlossenes Gehäuse haben. Du unterstreicht das ja besonders.

Ich wollte nur sorgfältig formulieren.
Wenn es eine Bassreflexkonstruktion gewesen wäre, hätte sie zwei, statt einer Impedanzspitze gehabt und würde nicht mit 12dB/Okt, sondern mit 24dB/Okt unterhalb der Resonanzfrequenz abfallen.
Die beschriebene Wechselwirkung mit dem Hochpass findet bei Bassreflex auch statt, aber die Messerei ist viel aufwändiger, weil immer Tieftöner und BR-Rohr erst getrennt gemessen, pegelkorrigiert und dann zum Gesamtfrequenzgang zusammen gesetzt werden müssen.

beehaa schrieb:

Alle Diagramme zeigen nur den Satelliten mit unterschiedlicher Beschaltung.

Beim Subwoofer sind dem Entwickler der Treiber und die Gehäuseabstimmung bekannt und er kann eine Beschaltung für das Sub-Chassis entwickeln, die tatsächlich das gewünschte Übertragungsverhalten hat.

Dabei muss das dann auch mit den Satelliten und dem im Sub verbauten Hochpass harmonieren.

Angenommen der Sat ist geschlossen gebaut. Dann fällt er zu tiefen Freqeuenzen hin unterhalb seiner Resonanzfrequenz mit 12dB/Okt ab.
Der elektrische Hochpass hat auch geratene 12dB/Okt und die beiden (12dB/Okt mechanisch und 12dB/Okt elektrisch) liegen hintereinander, also würde der Sat (in der Näherung) mit 24dB/Okt akustisch zu tiefen Frequenzen hin abfallen.

Damit der Gesamtfrequenzgang passt, müsste der Sub ebenfalls mit 24dB/Okt beschaltet werden und das ist passiv ein ganz schöner Aufwand.
Gibt es denn passive Subs, die mit 24dB/Okt getrennt sind?

Ich könnte mir vorstellen, dass die Kombi 18dB für den Sub und 6dB für die Sats häufiger vorkommt.

Die Messungen im ersten Thread sollten gezeigt haben, wie beliebig der Frequenzgang eines Satelliten durch so einen im Sub verbauten berechneten Hochpass werden kann.

Es ist ja nicht nur die Resonanz, die bei fehlender Impedanzlinearisierung durch dröhnen stört.
Die vom Hersteller angegebene Trennfrequenz des Sat-Hochpasses stimmt in der Praxis auch nicht, weil sowohl der Frequenzgang, als auch der Impedanzgang des Sats mit ins Ergebnis einfließen.

Eine universelle Lösung kann es da leider nicht geben, fürchte ich.

Gruß
Rainer

beehaa
Gesperrt

#8 erstellt: 24. Jan 2011, 00:13

ton-feile schrieb:

Gibt es denn passive Subs, die mit 24dB/Okt getrennt sind?

Sind mir nicht bekannt. Gab es denn keine passiven Sets die Bassreflex-Sats hatten?

[...]
Ok. Schade.

P.Krips
Inventar

#9 erstellt: 10. Mrz 2011, 22:53

Hallo Rainer,
bin erst über einen Umweg auf den Thread gestoßen:

1. Respekt für die gezeigten Zusammenhänge
2. Wäre ich auch dafür, das zu pinnen.

Die Anwendbarkeit deiner Arbeit beschränkt sich ja nicht nur auf die HP-Filter von Submodulen, sondern ist universell bei jeder elektrischen 6 dB Hochpassfilterung zu beachten.
Wie du ja schön zeigst, funktionieren solche Filterungen (das gilt natürlich auch bei Mehrwegern beim MT oder HT !!) nur mit Impedanzlinearisierung.
Definierte akustische Filterflanken bekommt man dann aber auch nur hin (dann geht es z.T. auch ohne Impedanzlinearisierung), wenn man die Filterpole eines 18 oder 24 dB Hochpasses "auseinanderdröselt" und dem Treiber einen der Pole durch die Gehäuseabstimmung verpasst (z.B. Qtc 0,943 für 18 dB Butterworth mit nur 1 Kondensator)
Allerdings hat man dann so nur eine mögliche Trennfrequenz, bei 24 dB Butterworth immerhin 2, da man die Pole ja zwischen Treiber und elektrischer Weiche vertauschen kann.
Verzeihung, daß ich da etwas abgedriftet bin....

Wobei mich bei Passivwoofern auch die Beschaltung des Woofers interessieren würde. Wenn es gut sein soll, müsste normalerweise schon in der Tiefpassfilterung einiges an Weichenmaterial aufgefahren werden, damit es vernünftig filtert und klingt.
Was ich so kennenlernen konnte hat meist nur eine Tiefpassspule oder äußerst einen 12 dB Filter ohne Impedanzlinearisierungen "an Bord"
Da käme es dann auf die unpassenden Satelliten- Hochpässe auch nicht mehr drauf an....

Viele Grüße
Peter Krips

[Beitrag von P.Krips am 10. Mrz 2011, 22:54 bearbeitet]

Amperlite
Inventar

#10 erstellt: 13. Jul 2013, 11:16

Danke für diesen anschaulichen Beitrag!

ton-feile (Beitrag #5) schrieb:

Hier besteht ein weiteres Problem:
Ein Hochpass wird i.d.R. dafür eingesetzt, um den Satelliten vor großem Hub im Bassbereich zu entlasten.
Baue ich mir (durch Zufall) so einen "Schwingkreis-Filter" mit einer satten Überhöhung, dann erreiche ich gerade das Gegenteil. Der Lautsprecher wird zwar im tiefsten Bereich entlastet, im Bereich der Resonanzen aber wesentlich stärker belastet.

Sonntagsveganer
Neuling

#11 erstellt: 04. Feb 2014, 00:43

Hallo,
ich bin recht neu im Selbstbaugebiet und plane einen Wavesub 270 aus der HobbyHifi vom Januar 2014 zu bauen. Diesen will ich dann mit zwei Canton GLE 420.2 an meiner Scott RL 330 betreiben. Die Idee die Cantons mit einem Hochpass zu versehen hatte ich schon (ich will sie zum Thema meiner Facharbeit in der Schule machen) und beim lesen dieses Threads kam mir die Frage auf, ob ich das Bassreflexrohr nicht einfach mit einem Schaumstoffteil verschließen kann, um mir die Schwierigkeiten beim Messen zu sparen. Die Trennung des Subs lege ich bei 90 Hz, ich habe bereits eine (stümperhafte) Messung des Frequenzgangs vorgenommen habe, die mir dies riet. Wenn ich das Brrohr auf diese Weise verschließe, komme ich dann auf einen Abfall von 12Db/Oktave und nicht 24? Kennt ihr Buchquellen oder weitere Links im Internet zu dem Thema?
Vielen Dank schonmal vorweg und vielen Dank für den hilfreichen Thread!