Subwoofer mit DSP - wie greift der Limiter?

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the_Interceptor
Ist häufiger hier

#1 erstellt: 29. Aug 2012, 12:37

Hallo allerseits!

In meinem Kopf treiben divese Ideen zu Subwooferprojekten ihr Unwesen, und ich stieß dabei auf eine Frage, deren Antwort ich bisher nicht finden konnte. Die Frage ist rein theoretischer Natur, eine Realisierung des Projektes und damit auch dessen Details steht noch in weiter Ferne. Ich bitte darum, von Empfehlungen wie "Nimm einfach andere Woofer!", "Mach das Gehäuse größer!" oder "Bau es ganz anders, nämlich so!" und ähnlichem abzusehen, denn darum geht es in der Diskussion nicht.

Eine Beispielkonfiguration: ein Pärchen möglichst sauber spielender Subwoofer für ein Heimkino. Bestückt werden sie mit einem hoch belastbaren Langhub-Tieftöner wie z.B. einem Carpower Sonic-12, jeweils eingebaut in relativ kompakte, geschlossene Gehäuse (30-40l pro Box). Die Ansteuerung erfolgt durch den Subwooferausgang eines Surroundverstärkers über ein Lautsprechermanagementsystem wie das Behringer DCX 2496 oder Monacors DSM-240/-260 und eine sehr leistungsstarke PA-Endstufe. Der natürliche Pegelabfall der Chassis im Gehäuse wird durch eine Anhebung des Tiefstbasses per Equalizer im DSP kompensiert, was in etwa so aussähe.

(Hochpass 24dB/Okt. bei 20Hz, Tiefpass 24dB/Okt. bei 80 Hz, EQ +15dB bei 20 Hz, Q=1,0)

Leistung für eine solche Anhebung ist ja reichlich vorhanden. Nur wird selbst der potenteste Tieftöner an einer ausreichend starken Endstufe irgendwann sein Auslenkungslimit erreichen, vor dem ich ihn natürlich schützen möchte. Durch die stark erhöhte Auslenkung bei der Frequenz mit maximaler Anhebung (hier 22 Hz) ist das Pegellimit des Woofers recht schnell erreicht. Bei höheren Frequenzen ist keine Anhebung vorhanden und der Hub sowieso geringer, daher ist der Maximalpegel dort deutlich höher.

Die Idee ist, den Limiter des DSP einzusetzen, um den Pegel des Ausgangssignals zu begrenzen. Nun habe ich mich gefragt, wie genau ein solcher Limiter das Ausgangssignal beeinflusst. Ideal wäre es nämlich, wenn der Limiter in seinem Regelbereich nur den Bereich der größten Pegelanhebung "kappt", den eingestellten Frequenzgang ansonsten aber unverändert lässt. Dann könnte man mit dem DSP den Tieftöner an seiner Auslenkungsgrenze entlang balancieren und sehr hohe Pegel im Heimkino fahren, ohne dass mechanisch gesehen Gefahr für die Chassis bestünde. Natürlich würden laute Bassignale mit Frequenzen an und rund um die maximale Anhebung im Pegel begrenzt. Das sollte im laufenden Betrieb aber nicht allzu sehr auffallen und würde dem Subwoofer gefühlt wohl deutlich mehr Headroom geben.

Leider werde ich aus der Anleitung der DSPs nicht schlau, wie genau die Limiter in den Ausgang eingreifen. Limitieren sie das Ausgangssignal im Ganzen, oder "schneiden" sie wirklich nur die zu lauten Bereiche weg und lassen leisere Signale wie sie sind? Dann könnte dies eine recht einfach realisierbare Version der hochwertigen und teuren Fertigwoofer mit frequenzabhängigem Echtzeitlimiter sein.

Ich danke für alle Beitrage zum Thema!

the Interceptor

Yavem
Inventar

#2 erstellt: 29. Aug 2012, 13:05

Hallo,

die Lösung deines Problemes ist einfach, denn ein Limiter macht eigentlich schon das, was du möchtest.

Du wählst einen Lautsprecher den du simulierst. Als Beispiel bekommst du heraus, dass der Lautsprecher ab 500W den linearen Bereich bei 20 Hz verlassen würde.

Auf diese 500W limitierst du dann. Das geht beim DCX wie folgt :

Alle Angaben im DCX sind in dBFS angegeben. 0 dBFS (Vollaussteuerung) bedeuten beim DCX +22 dBU Ausgangsspannung (steht im Handbuch). Jetzt brauchst du die Eingangsempfindlichkeit deiner Endstufe. Hier sind 0 dBV (1Volt) oder 0 dBU (0,775 Volt) üblich. Diese bedeuten, dass die Endstufe bei rechtsanschlag der Potis 0 dBU, bzw. 0 dBV benötigt um Vollaussteuerung an den Ausgangssignalen zu erreichen. Mit den Potis regelt man die Eingangsempfindlichkeit.

Mit dem Wissen, dass die DCX bei 0 dBFS 22 dBU ausgibt kannst du nun limitieren. Hat deine Endstufe 0 dBU Eingangsempfindlichkeit und du willst die Endstufe gerade so bei ihrer maximal möglichen linearen Aussteuerung limitieren stellst du die Limiter also auf -22 dBFS (0 dBU). Willst du die Endstufe früher limitieren stellst du weniger als -22 dBFS ein (z.B. -25 dBFS, = -3 dBU . -3 dB bedeuten halbe elektrische Leistung).

bei -25 dBFS Limitereinstellung bei 0 dBU Eingangsempfindlichkeit verstärkt die Endstufe, egal bei welcher Frequenz, also nur mit der halben maximal linearen Leistung.

Möchtest du jetzt bei tiefen Frequenzen nur maximal 200W anliegen haben und bei den höheren bassfrequenzen 500W durchlassen wird es kompliziert. Das wäre ein frequenzabhängiger Limiter, sowas kann die DCX 2496 nicht. Allerdings bietet die DCX 2496 dynamische Equalizer, welche ab einem vorgegebenen Treshold erst greifen. Du könntest den Treshold in dBFS für 200W errechnen und dem DCX sagen, dass er ab dieser "Lautstärke" einen Equalizer benutzen soll der dir die 20 Hz wieder absenkt. Mit der Einstellung "Ratio" kannst du einstellen wie stark der Eingriff abhängig vom Pegel sein soll.

Das wird ein bisschen bastelei, aber das geht. Mit Limiter und dynamischem Equalizer der DCX bist du denke ich gut ausgestattet was dein Problem angeht.

Übrigens gibt es auch ein Limiterberechnungstool für den DCX im Party-PA-Forum irgendwo. Such mal ein bisschen, wenn du ihn nicht findest, dann schreib mir einfach eine PN.

LG - Hagen

the_Interceptor
Ist häufiger hier

#3 erstellt: 29. Aug 2012, 13:56

Hallo Hagen

Yavem schrieb:

Möchtest du jetzt bei tiefen Frequenzen nur maximal 200W anliegen haben und bei den höheren bassfrequenzen 500W durchlassen wird es kompliziert.

Genau das ist die Frage. Bleiben wir mal bei den Leistungen und sagen wir, dass das Chassis bei 22 Hz wegen der starken Anhebung maximal 50 Watt verträgt, bei 70 Hz aber 500 Watt. Das kann ich am Limiter einer 2496 nicht einstellen. Ich kann "nur" die Ausgangsspannung begrenzen. Zwar nicht frequenzabhängig, allerdings ist der Ausgangsfrequenzgang des DSP auch nicht linear eingestellt. Tiefe Frequenzen rund um die Anhebung gibt die 2496 mit deutlich höherer Ausgangsspannung an die Endstufe heraus als höhere Frequenzen, um den von mir eingestellten Frequenzgang nachzubilden.

Ein Beispiel: ich gebe zwei gleich laute Sinustöne in den DSP rein

- 22 Hz mit 0,1V
- 70 Hz mit 0,1V

Am Ausgang des DSP erscheinen daraufhin zwei Sinustöne, die wegen des eingestellten Frequenzgangs mit Anhebung bei 22 Hz z.B. folgende Spannungen haben

- 22 Hz mit 0,5V
- 70 Hz mit 0,1V

Nehmen wir an, der Limiter des DSP ist auf eine maximale Ausgangsspannung von 0,6V eingestellt. Dann kommen diese Töne genau so heraus, weil sie beide unterhalb des Limits liegen.

Nun erhöhe ich den Pegel am Eingang auf

- 22Hz mit 0,3V
- 70Hz mit 0,3V

Dann müsste am Ausgang der Limiter greifen, aber nur für den Ton mit 22 Hz, weil er die 0,6V überschreiten will

- 22Hz mit 0,6V (wegen Limiter bei 0,6V)
- 70Hz mit 0,3V

Wenn das so korrekt ist, dann arbeitet der Limiter des DSP in diesem Fall frequenzabhängig, schlicht weil der eingestellte Frequenzgang stark nichtlinear ist. Das hieße, dass die Ausgangsleistung der Endstufe bei 22 Hz begrenzt wird, bei 70 Hz aber noch lange nicht. Zwar wäre hier der Zusammengang zwischen Membranhub und Limiter nicht perfekt linear, aber im Großen und Ganzen sollte das passen, vorausgesetzt ich habe die Funktionsweise des Limiters hier korrekt verstanden und beschrieben.

Der alternative oder zusätzliche Einsatz der dynamischen Equalizer der DCX 2496 wäre natürlich ein Bonus, mit dem man das ganze System noch feiner abstimmen kann.

[Beitrag von the_Interceptor am 29. Aug 2012, 14:11 bearbeitet]

Yavem
Inventar

#4 erstellt: 29. Aug 2012, 18:31

Der Limiter im DCX ist glaube ich nach dem Equalizer und vor dem X-Over geschaltet. Steht aber auch im Handbuch.

Ein Limiter arbeitet nicht frequenzabhängig, sondern spannungsabhängig. Dass das dann indirekt mit der Frequenz zu tun hat, weil eine bestimmte Frequenz eine bestimmte Spannung aufweist mag ja sein. Aber ein Limiter der dir bei 20 Hz nur 0,6V durchlässt und bei 50 Hz 0,9V wäre mit dem DCX nicht machbar.

Der Limiter begrenzt auf eine vorgegebene maximale Spannung / Leistung, z.B. 300W ob die jetzt bei 20 oder 50 Hz oder bei einem mischsignal anlegen ist dem Limiter egal. Gibst du viele verschiedene Frequenzen in den DSP ein und einige besonders laut werden diese zuerst "limitiert". Allerdings werden die anderen Frequenzen bei Überschreitung dieser Frequenz natürlich auch erstmal eingebremst. Wenn man den Attack aber sehr niedrig / kurz, keinen Hold und Ratio einstellt, dann hat man quasi den "Brickwall-Limiter" bei dem fast nur Spitzenlimitierung stattfindet. Dieser Limiter verringert die Dynamik je nach Ansprechschwelle aber bis nahezu Null.

LG - Hagen

[Beitrag von Yavem am 29. Aug 2012, 18:32 bearbeitet]

the_Interceptor
Ist häufiger hier

#5 erstellt: 02. Sep 2012, 15:21

Hallo Hagen,

sorry, ich war ein paar Tage unterwegs und konnte deshalb nicht antworten.

Ich habe endlich meinen Kopf um das Problem wickeln können und habe nun verstanden, wie die Sache funktioniert. Du hast absolut Recht, dass der Limiter die Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert begrenzt und damit auch die Ausgangsleistung für alle Frequenzen gleich werden lässt.

Das heißt im Umkehrschluss, dass die Anhebung bei tiefen Frequenzen vom Limiter immer weiter reduziert wird, bis sie ab einem bestimmten Pegel komplett verschwunden ist. Damit besitzt der Subwoofer dann den Frequenzgang, den er ohne Anhebung hat. Da dieser Frequenzgang zu hohen Frequenzen ansteigt, erreicht der Subwoofer bei hohen Frequenzen einen höheren Pegel als bei niedrigen Frequenzen. Das ist im Endeffekt ja genau das Verhalten, das ich haben will.

Allerdings gibt es natürlich die Einschränkung, dass der Limiter eben die Ausgangsleistung begrenzen wird. Wenn der Subwoofer also bei 100 Watt Eingangsleistung bei der Frequenz der maximalen Anhebung seine mechanischen Grenzen erreicht, dann werde ich ihn an keiner anderen Frequenz wie Du schon sagtest mit mehr Leistung betreiben können. Er wird auf natürlichem Wege bei höheren Frequenzen lauter sein, aber eben nur ein paar Dezibel.

Der elegantere Weg geht vermutlich über den dynamischen EQ, welcher ab einem kritischen Pegel einfach die Anhebung im Subbass zurücknimmt. Den Limiter kann man als absolute Sicherheitsgrenze ja bei höherer Ausgangsleistung immer noch einrichten. Der Limiter liegt bei der DCX 2496 laut Handbuch übrigens hinter allen Filter- und EQ-Bausteinen.

Gruß
the Interceptor

Yavem
Inventar

#6 erstellt: 02. Sep 2012, 16:48

Hi,

dann hat sich ja alles geklärt, super

.

Die Frage ist jetzt : was ist denn der limitierende Faktor bei deinem Lautsprecher? Die "Elektrik" (Spule -> Hitze), oder die Mechanik (Hub)?

Es gibt ja Lautsprecher deren Spule 300W RMS thermisch standhält, die aber 10-15mm Hub können, die sie über 30 Hz mit 300W RMS in einem entsprechend abgestimmten BR-Gehäuse nie erreichen würden.

Es gibt aber auch Lautsprecher deren Spule thermisch 800-1000W aushält, die aber nur einen sehr begrenzten linearen Hub können (RCF L18S801 nenne ich da gern, 800W AES-Belastbarkeit aber nur 4,25mm "ehrlicher" Hub!)

Naja, notfalls tut es ja keinem weh wenn die Spule mal kurz nicht mehr ganz im Magnetspalt ist. Ich würde den Limiter mit sehr kleinem Attack (damit er sofort greift) und wenig Release-Decay-Zeit setzen, das nimmt dir dann nur die Spitzen weg.

Den Wert würde ich so veranschlagen, dass die im Datenblatt angegebene Belastung (z.B. 400W RMS oder 500W AES u.s.w.) nicht überschritten wird und der Speaker mechanisch nicht zu weit aus dem linearen bereich gerät. Je nach Magnetspalttiefe sind ein paar Millimeter mehr recht unkritisch.

LG - Hagen

the_Interceptor
Ist häufiger hier

#7 erstellt: 03. Sep 2012, 09:59

Hallo Hagen,

die Simulation des Woofers mit der Anhebung sagt vorraus, dass er sein Hubmaximum (orientiert am rechnerischen und auch vom Hersteller angegebenen Xmax) an der Stelle der Anhebung leider schon bei gut 100 Watt erreicht.Ich denke auch, dass ein paar Millimeter mehr nicht schaden, da bis zur Xdamage immer noch reichlich Luft bleibt. Verzerrungen entstehen ja so oder so, entweder durch den Limiter oder durch den starken Abfall des Bls. Hier ist das Limit aber ganz klar die mechanische Belastbarkeit, elektrisch könnten Woofer und Amp noch deutlich mehr.

Irgendwo ist es natürlich schade die Ausgangsleistung des Verstärkers auf jene gut 100 Watt zu begrenzen. Daher tendiere ich im Moment dazu, statt dem Limiter den dynamischen EQ einzusetzen und den Amp "frei laufen zu lassen".

Gruß
the Interceptor

Yavem
Inventar

#8 erstellt: 03. Sep 2012, 10:38

Wenn du einen Equalizer benutzt ändert sich die Belastung natürlich. +3 dB entsprechen doppelter elektrischer Belastung. D.h. wen du in WinISD 100W eingibst und bei 20 Hz 15 dB reingeschoben hast, dann liegen dort 3200W an. Das darfst du auf keinen Fall unberücksichtigt lassen.

Wie viel Xmax hat dein Lautsprecher denn und wie ist das BR (?) Gehäuse abgestimmt?

LG - Hagen

the_Interceptor
Ist häufiger hier

#9 erstellt: 03. Sep 2012, 12:58

Die 100 Watt (genau waren es glaube ich 106,xx Watt laut LspCAD) beziehen sich bereits auf den Frequenzbereich mit maximaler Leistungsabgabe, also die Anhebung um ca. 13 dB bei 22 Hz (siehe Diagramm in Posting #1). Bei den Frequenzen darüber und darunter sind die Leistungsabgabe des Verstärkers und der Membranhub entsprechend geringer und eine Gefährdung der Chassis damit ausgeschlossen.

Andersherum gedacht wäre der Subwoofer bei anderen Frequenzen deutlich belastbarer, aber der Limiter würde höhere Leistungen nicht zulassen. Daher ist die Idee, per dynamischem EQ die Anhebung ab Erreichen eines kritischen Pegels zurückzunehmen, die deutlich bessere Lösung, weil sie die zugeführte Leistung im Gegensatz zum Limiter nicht pauschal begrenzt.

Die 100 Watt beziehen sich auf ein Pärchen

Carpower Sonic-12 in gemeinsam genutzten geschlossenen 60 Litern Volumen. Ich habe in den letzten Wochen ziemlich viele Chassis simuliert und viel herumprobiert, also nagel mich nicht auf genau diesem Setup fest. Das Xmax des Carpower ist 25mm pro Richtung, also 50mm peak-peak.

Gruß
the Interceptor