Aktivweiche mit konstanter Phase

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BooStar
Stammgast

#1 erstellt: 08. Apr 2009, 18:02

Hallo Elektronikexperten!

Auf der Suche nach einer aktiven Frequenzweiche habe ich mir die Seiten von Siegfried Likwitz mal durchgesehen und bin danach noch auf die Subtraktivweiche - anscheinend von Lipshitz - gestoßen.

Das Prinzip ist recht einfach:
2x Tiefpaß 2. Ordnung Sallen-Key Schaltung für Tiefton
Der Hochtonzweig ist der "Rest", das Ausgangssignal der Tiefpässe wird vom Eingangssignal abgezogen. Vorher wird die Phasenverschiebung des Tiefpasses mit 2 Allpässen 2. Ordnung nachgebildet.
Siehe Anhang - die Bauteilwerte sind nur Beispiele aber auf eine Trennfrequenz dimensioniert.

Ergebnis: Absolut flacher Frequenzgang, Phase kontinuierlich von 0° (0 Hz) bis -360° (f_unendlich), Tiefton und Hochton haben keinen Phasensprung. Im zweiten Bild sieht man nur eine Phase, da die beiden Verläufe deckungsgleich sind.

http://s10b.directupload.net/images/090408/bx5n7p6d.png

Frage:
Wie bekomme ich den Phasenverlauf auch flach? Ich müßte dazu irgendwie die Phase bei 0 Hz verschieben - da fällt mir gerade nix dazu ein.
Aus meinen Regelungstechnik "Kentnissen" denke ich, daß man die s-Übertragungsfunktion braucht und einen Pol (oder war's die Nullstelle?) rauskürzen muß, um ein abknicken der Phase zu verhindern. Damit stabilisiert man den Regelkreis, da die Phase ja nicht zu weit absinken darf. Muß also ein Regler rein?

Bei Backes und Müller werben die mit 0° Phase - wie machen die das?

Kay*
Inventar

#2 erstellt: 08. Apr 2009, 18:18

Wie bekomme ich den Phasenverlauf auch flach?

WOZU?

BooStar
Stammgast

#3 erstellt: 08. Apr 2009, 18:22

Damit er flach ist.
Ehrlichgesagt weiß ich nicht, ob das schlimm/hörbar ist aber wenns geht, realisiere ich das Optimum. Ist ja schaltungstechnisch kein Aufwand.
Wie gesagt werben manche Hersteller damit, also wird's schon gehen und eventuell sogar hörbar sein.

detegg
Inventar

#4 erstellt: 08. Apr 2009, 18:38

Hi BooStar,

denk´ mal eine "Ableitung" weiter!

Die "flache" Phase ergibt eine konstante (!) GLZ im Übergangsbereich der Weiche. Was willst Du mehr? GLZ=0 ?

Hab´ diese Weiche in den 80ern mal als 3-Wegerich gebaut. Die Realisierung des Bandpasses ist nicht ohne.

Gruß
Detlef

BooStar
Stammgast

#5 erstellt: 08. Apr 2009, 19:20

Danke detegg für die qualifizierte Antwort.
Das mit der konstanten GLZ stimmt schon - steht im Tietze/Schenk bei den Allpässen so drin.

Ich glaub, ich mich grad als Ingenieur-DAU geoutet. Die Weiche verzögert ja um eine konstante Zeit und das ist völlig wurscht - also die perfekte Weiche und fast kein Aufwand. Hab ich einfach nur falsch gedacht...
Die GLZ ist ja m.W. nach -dphi/dw, also ist eine konstante GLZ anzustreben. Ob diese 0 ist (bei Phase = x° über alle f) oder y ist (bei -dPhase/dt=konst) ist letzten Endes egal - stimmts?

Die Filter habe ich nach dem Linkwitz seiner Anleitung dimensioniert. Das hat den Vorteil, daß alle C und R gleich groß sind.
Linkwitz heißt doch Q = 0,5 und fg nicht bei -3dB sondern bei -6dB, oder? Ursprünglich hatte ich Butterworth oder Bessel geplant ist aber anscheinend unüblich, wie ich lesen mußte.

Die Erweiterung für 3 Wege sehe ich noch vor. Allerdings möchte ich das nicht über einen Bandpaß realisieren sondern auch wieder subtraktiv über TP/HP Kombinationen, da Bandpässe Aufwand sind oder viele OPs brauchen (bei Universalfiltern mit unabhängigen Koeffizienten). Genau weiß ich es noch nicht aber ist erstmal egal. Werde mal probeweise einen vorhandenen Fertiglautsprecher aktivieren.

Linkwitz hat noch einen netten einfachen Baßequalizer vorgestellt. Wenn ich Qtc weiß kann ich mir den auch noch einbauen...

Edit:
Mir ist grad beim Experimentieren mit SWCAD etwas aufgefallen. Die Grenzfrequenz des Allpasses liegt ja mittendrin, also ist die Gruppenlaufzeit schon variabel. Unter fg ist die natürlich konstant. Bei der gegenwärtigen Dimensionierung ist es so, daß die GLZ 6ms im Baß und 0ms in den Höhen beträgt.

[Beitrag von BooStar am 08. Apr 2009, 19:44 bearbeitet]

Kay*
Inventar

#6 erstellt: 08. Apr 2009, 20:43

Ehrlichgesagt weiß ich nicht, ob das schlimm/hörbar ist aber wenns geht, realisiere ich das Optimum

Ist das nicht ein Widerspruch an sich?

Ich informiere mich erst über den Nutzen und realisiere
darauf hin ein realistisches Optimum.
--> Behringer DCX

War es bei den Subtraktionsweiche nicht so, dass z.B. Tiefpass 12dB/Okt und der Hochpass 6dB/Okt hatten (was Problem bei der Auswahl geeigneter Treiber ergab)?

BooStar
Stammgast

#7 erstellt: 08. Apr 2009, 21:22

Na sich über den Nutzen zu informieren ist bei Hifi recht müßig. Es stehen fast nur Behauptungen im Raum; falls mal ein Beleg dabei ist, widersprechen die sich teilweise.

Mir gehts außerdem net darum, die Behringer Weiche zu kaufen sondern eine einfache Weiche in einen Lautsprecher einzubauen, die dann feststeht und nich separat angeschlossen wird.

Bei der angesprochenen Subtraktionsweiche meinst Du sicherlich die, die im "anderen" Zweig keine Phasenkorrektur enthält. Dann hast Du Recht.
Aber das Eingangssignal wird hier zweimal durch einen Allpaß geschickt, der genau den gleichen Phasenverlauf die der Tiefpaßfilter hat. Somit unterscheidet sich nur noch die Amplitude der Signale U_Allpaß und U_Tiefpaß. Dann kann ich die gefahrlos voneinander abziehen. Siehe angehängten Plot oben, da sieht mans.

Also so wie ich das sehe muß ich mal wieder in die Regelungstechnik Bücher reinschauen, da steht drin, wie man die Phase eines Systems retten kann.

detegg
Inventar

#8 erstellt: 08. Apr 2009, 21:37

Kay* schrieb:

... ein realistisches Optimum. --> Behringer DCX

... deshalb habe ich nach >25 Jahren auch den Entwurf von analogen, aktiven FW aufgegeben. Der DSP erlaubt seit 2004 wesentlich mehr Freiheitsgrade.

Irgendwie erinnere ich einen wesentlichen Nachteil der Subtraktivweiche - bei 2-weg ist /HP/ = 1 - /TP/ - die Phase wird durch den AP angeglichen. Also Konstantspannungsweiche - bei fg im Leistungs-FG ergibt sich dann eine Überhöhung.

Ein Vorteil - es werden nur TP verwendet. Ein eindeutiger Voreil gegenüber bei Impulsanregung überschwingenden HP.

Der "Bandpass" wird auch durch TP + AP realisiert. Bei Bedarf kann ich die Schaltung noch mal raussuchen.

... das ist alles so lange her

Gruß
Detlef

Kay*
Inventar

#9 erstellt: 09. Apr 2009, 02:46

Na sich über den Nutzen zu informieren ist bei Hifi recht müßig. Es stehen fast nur Behauptungen im Raum; falls mal ein Beleg dabei ist, widersprechen die sich teilweise.

Darüber mag man nachdenken,

wichtiger,
mache ganz einfach mal eine Messung im Raum mit einem LS.
Jede Raumresonanz führt zu weit aus heftigeren Phasenverschiebungen, als oben beschrieben ...
und Raumresonanzen kann man mit Sicherheit hören.

Die Suche nach konstanter Phase mit analoger Filtertechnik
ist ohnehin Unsinn.

BooStar
Stammgast

#10 erstellt: 09. Apr 2009, 10:03

Hi detegg,
das mit der Überhöhung habe ich noch nicht 100 pro begriffen.
Die Grenzfrequenz ist ja stets bei -3dB definiert. Also einfach HP und nen TP mit gleicher fg und fertig.
Nun kommt Meister Linkwitz und sagt, die beiden Filter sollen sich bei -6dB schneiden, damit man nachher keine Überhöhung hat. Logisch, wenn ich zwei Spannungen mit -6dB addiere komme ich auf 0dB - also flach.
Also zwei Möglichkeiten:
Schnittpkt -3dB: konst. Leistung
Schnittpkt -6dB: konstante Spannung -> konstanter Schallpegel? Kommt hier die Überhöhung im Leistungsfreqeunzgang her? Der Begriff ist mir ehrlichgesagt nicht geläufig.

Andere Idee ist anstatt der Q=0,5 von Linkwitz/kritische Dämpfung einen Besselfilter zu nehmen, der hat eine konstante GLZ. Dummerweise haut's dann mit der Phasendrehung des Allpasses nicht mehr exakt hin - muß mal sehen, ob der nicht noch anders dimensionierbar ist.

ESELman
Stammgast

#11 erstellt: 10. Apr 2009, 09:53

Hi,

diese Subtraktivweichen sind einfacher und genauer mit anderen Topologien baubar, z.B. state-variable, oder Hawksford. Der Nachteil der Subtraktiv ist die höhere Anzahl an Bauteilen und vor allem an gematchten Bauteilen -sonst ists Essig mit den 0° Differenz. Eine Hawksford-Struktur benötigt dagegen keinerlei gematchte Bauteile (allenfalls für den zweiten Stereokanal, nicht jedoch für die eigentliche Funktion) und da laufen die Kanäle prinzipiell und unabhängig von Bauteiltoleranzen immer synchron.
Die 0°-Phase bezieht sich immer nur auf die Phasendifferenz der Kanäle. Absolut sind 0° nicht drin und auch nicht nötig.
Allerdings müssen für eine korrekte Funktion die LS-Treiber ebenfalls ´perfekt´ sein. Nur durch aufwändiges Equalizing läst sich deren Verhalten verbessern. Da ist das Ergebnis der Kombination angepasste ´klassische´ Weichenstruktur + Treiber am Ende mindestens ebenso gut und mit geringerem Aufwand verbunden.

DerESELman

Kay*
Inventar

#12 erstellt: 10. Apr 2009, 13:34

Die 0°-Phase bezieht sich immer nur auf die Phasendifferenz der Kanäle. Absolut sind 0° nicht drin und auch nicht nötig.
Allerdings müssen für eine korrekte Funktion die LS-Treiber ebenfalls ´perfekt´ sein. Nur durch aufwändiges Equalizing läst sich deren Verhalten verbessern

Bravo!

BooStar
Stammgast

#13 erstellt: 10. Apr 2009, 19:13

Also Hawksford hab ich echt noch nie gehört obwohl ich in letzter Zeit etwas rumgesucht habe. Bei der AES gibts anscheinend ein paar interessante Artikel von Lipshitz aus den frühen 80ern. Von zu Hause hab ich da nur keinen Zugriff.
Bei Google gleich der erste Treffer bei Suche nach "Hawksford" spuckt zwei Übungsblätter der TU Berlin aus. Da steht die Struktur drin.
Ist ja ein pfiffiges Prinzip mit der Rückkopplung. Der wesentliche Unterschied zu "meiner" Subtraktivweiche ist ja, daß die Allpässe fehlen und die Fehler in den Allpässen somit keine Auswirkungen haben. HP ist praktisch der "Rest" des Signals und integrieren funktioniert elektronisch schon immer gut. Man spart hierbei 2 Cs in den Allpässen.
Unverständlich ist für mich im Moment nur die Summation der einzelnen Integratorausgänge - warum nimmt man nicht nur den Ausgang der letzten Stufe?

Weiterhin steht irgendwo bei Wikipedia, daß der Mensch anscheinend Gruppenlaufzeitunterschiede bis "einigen ms" nicht hört - im Baß sowieso nicht. Dann ist mir mein erzieltes Resultat gut genug.
Bei den Bauteiltoleranzen habe ich mir keine Gedanken gemacht aber die Widerstände hätte ich schon durchgemessen. Hätte nicht gedacht, daß da nennenswerte Fehler entstehen können.

hreith
Inventar

#14 erstellt: 10. Apr 2009, 20:47

Hi BooStar,

geht es dir um den Filter um des Filters willen oder soll dieser eine bestimmte Aufgabe erfüllen?
Ein Filter ist ein Hilfsmittel, so etwas wie eine Schraube. Man kann aber nicht sagen, man hätte jetzt die optimale Schraube und sucht nur noch dir passende Aufgabe für diese.

Wenn du damit eine Weiche in einer Aktivbox aufbauen möchtest, dann ist ein solcher Filter - der DerESELman hatte das schon geschrieben - völlig ungeeignet.
Die Ansprüche an den Filter werden von den Treibern, deren Einbau, der Schallwand und dem Raum bestimmt. Der "optimale" Filter ist der, der genau auf die Ansprüche der Applikation angepasst werden kann. Ist dein Umfeld derart, dass eine Subtraktionsweiche die optimale Lödung darstellen würde, dann wäre das dann eben der geeignete Filter. Stellt das Umfeld aber andere Anforderungen, dann ist die Subtraktionsweiche eben nicht der geeignete Filter.
Von daher solltest du erstmal die Anforderungen erfassen und dann an die Auswahl und Realisierung des Filters gehen.

BooStar
Stammgast

#15 erstellt: 12. Apr 2009, 19:10

Na schön. Als Ingenieur baut man halt gern "das Beste", wenn es geht. Ein paar verschiedene Realisierungen kann man ja mal untersuchen und damit rumspielen.
Was sind meine Anforderungen... Optimale Trennung (Rechteck), keinerlei Beeinflussung des Signals.
Ist klar, das geht natürlich nicht.

Kannst Du mir dann mal ein Beispiel nennen, wie die Treiber, Einabu, mech. Aufbau usw. die Anforderungen an die Weiche ändern? Wie kann ich also entscheiden, daß das Konzept hierfür nicht geeignet ist und wann schon?
Ein Equalizing soll hier nicht das Thema sein, genauso wie der Aufbau der Box. Es geht wirklich rein um die Trennung der Frequenzen - gibts dann auch noch geeignete und ungeeignete Konzepte?
Bei welchem Umfeld ist die Subtraktivweiche top, wann flop? Kann mir da nichts darunter vorstellen.

So wie ich das sehe ist Literatur darüber dünn gesät.

Kay*
Inventar

#16 erstellt: 12. Apr 2009, 21:36

Wie kann ich also entscheiden, daß das Konzept hierfür nicht geeignet ist und wann schon?

na, da bin ich doch mal frech,

geeignet ist das Prinzip bei idealen LS im Freifeld.
Irgendwelche Beeinflussungen durch die Box seien ebenfalls
nicht vorhanden.

Mal ganz im Ernst, was ist denn ein optimales FW-Filter?
Man denkt sich eine geeignete Zielfunktion
für den/die Ls aus und realisiert das Filter so,
dass Über-Alles die Zielfunktion dabei heraus kommt,
also unter Einbeziehung aller Störgrössen (z.B. Bündlungsverhalten vs. Schallwandbreite)

Mindestens sollte dann im Nahfeld/Freifeld diese Zielfunktion
akustisch! messbar sein.
Dabei stellt sich dann gerne heraus, dass z.B. ein Hochtöner mit passendem Filter 2.Ordnung eben 24dB/Okt macht.
Entsprechend muss dann der Tiefpass des BMT/MT ausgelegt werden.

Eine hübsche Darstellung einer pass. FW-Entwicklung findet sich bei Dickason. Diese Dinge sind elementar.

Übrigens, der Mann von oben heisst Linkwitz, und hat
insbesondere auch massig FW inkl. EQ beschrieben.

[Beitrag von Kay* am 12. Apr 2009, 21:52 bearbeitet]

hreith
Inventar

#17 erstellt: 13. Apr 2009, 14:23

Hi BooStar,

schaue dich hier mal im Bereich DIY > Lautsprecher um.
Schaue auch mal in die üblichen Heftchen wie hobbyhifi oder k+t oder auf die Beschreibungen von Udo.

Mir ist kein einziger perfekter Lautsprecher bekannt. Ein Lautsprecher als solches hat schon eine Filterfunktion und für den akustischen Output wird die Filterfunktion der Weiche auf jeden Fall mit der des Lautsprechers multipliziert.
Zusätzlich kommen noch die Filterfunktionen von Gehäuse und Schallwand.

Was nutzt die ein 0-Phasenversatz der Weiche, wenn die Treiber bei Trennfrequenz z.B einen von 120Grad haben? Die elektrische Weiche muss die Übertragungsfunktion der Zweige berücksichtigen und diese so ansteuern, dass es akustisch möglichst gut passt. Dann und nur dann wird auch ein gutes Ergebnis erreicht.

Wenn du mit einer Subtraktionsweiche ein gutes Endergebnis erreichen möchtest, dann müsstest du die einzelnen Zweige des Lautsprechers so entzerren, dass diese eine Übertragungsfunktion von 1 haben. Dann und nur dann wäre eine Subtraktionsweiche wohl optimal.

BooStar
Stammgast

#18 erstellt: 14. Apr 2009, 20:29

Danke hreith!
Ich habe echt total vergessen, daß die Treiber ja auch Systeme 2. Ordnung sind und ebenfalls wie ein Bandpaß die Phase drehen!
Dann werd ich einfach mal irgendwas ausprobieren. Ändern ist ja kein großes Thema und Anfangen muß ich ja irgendwie. Werde die Weiche separat aufbauen damit ich jede Platine getrennt ändern kann falls notwendig.
Vermutlich ist es auch unter ganz normalen Bedingungen völlig schnuppe, wie gut die Weiche arbeitet...

Eigentlich könnte man sich ein komplettes System des Lautsprechers aufstellen und einen schönen Regler basteln. Geht dann ganz klassisch nach den Regeln der Systemtheorie und Regelungstechnik. Dabei habe ich neulich eine Diss von jemanden an meiner Uni gefunden:
"Optische lineare Wegmessung
zur Modellierung und Regelung von
Lautsprechern"
Der hat einen geregelten Lautsprecher aufgebaut und auch die Treiber modelliert. Die Thiele-Small-Parameter braucht man dann nicht mehr als solche sondern eben die äquvalenten R, C und L. Die TSP sind zwar anschaulich aber zum Modellieren halt nicht besonders geeignet sowie redundant.
Ein Trick bei dem ist noch, daß die Lautsprecher stromgeregelt angesteuert werden anstatt die Spannung vorzugeben. Reduziert die Ordnung um 1.

@ Kay
Danke für den Dickason Hinweis. Den Linkwitz und seine Herleitungen kenne ich schon. Habe ich mich etwa irgendwo vertippt?

Kay*
Inventar

#19 erstellt: 14. Apr 2009, 20:50

"Optische lineare Wegmessung
zur Modellierung und Regelung von
Lautsprechern"

daneben gibt's 'ne Menge im Netz zufinden, das beschreibt,
in welchen Grenzen eine elektronische Manipulation
sinnvoll ist. (Ja, auch EQ's haben Grenzen

)

Bei Allem, was man so treibt, sollte man im Auge haben,
was den Hörplatz/die Ohren erreicht (erreichen kann).

p.s.
du hattest ganz oben ein "n" vergessen".
Falls mal jemand googled --> S. Linkwitz

hreith
Inventar

#20 erstellt: 15. Apr 2009, 14:58

Hi BooStar,

das reicht nicht ganz. Als Hochpass 2ter Ordnung kann man den Treiber um seine Grundresonanz ansehen, für die Betrachtung des gesammten Übertragungsbereiches reicht ds aber nicht aus. Hier muss zwingend das Verhalten im oberen Frequenzbereich, der akustische Strahlungswiderstand durch den Aufbau, die nichtlineare Schwingspulinduktivität, das Filterverhalten der Membran ..... berücksichtigt werden.

Versuche zur Regelung der Lautsprecher gab es schon viele, wirklich durchgesetzt hat sich keines. Außerdem sind für die Stabilitätskriterien der Regelstrecke die internen Größen schon wichtig, wenn das Ding anständig laufen und nicht in die Selbsterregung fallen soll. Im Bass (solange man die Membran als ausreichend stabil vernachlässigen kann) würden relativ einfache Sensoren reichen, ab dem Mitteltonbereich geht das aber nicht mehr. Außerdem erhält man durch das mehrfache Tiefpassverhalten in der Regelstrecke lästige Todzeiten die nur eine ungünstig niedrige Schleifenverstärkung erlauben.
Der Aufwand für eine Regelung ist so hoch, dass er entweder mit Einsparungen an anderer Stelle finanziert werden muss oder den Preis deutlich ansteigen lässt. Beides eher schlechte Vorraussetzungen für einen Erfolg. Vergleicht man z.B mal das Klirrverhalten der aktiv geregelten B&M mit preislich vergleichbaren ungeregelten Konzepten, dann schneidet B&M keinesfalls besser ab. Solange es durch preisgleiche Verbesserungen in den Treibern möglich ist, ähnlich guite Ergebnisse wie mit einer Regelung zu erreichern, lässt sich eine Regelung nur schwer argumentieren. Außerdem sind geregelte Boxen zwangsweise aktive Boxen und die werden vom Markt im HiFi-Bereich sowieso nur schlecht angenommen.