Aktive Frequenzweiche (Audio)

Fri Feb 05, 2010 1:39 pm   

Hallo!

Ich möchte mir eine aktive Frequenzweiche mit 50Hz Übernahmefrequenz
bauen. Das ganze soll in der Sallen-Key Struktur passieren.
Koeffizienten habe ich jetzt schon ausgerechnet für einen Bessel- Filter
mit 6dB Dämpfung bei 50Hz (je Hoch- und Tiefpass). Ich habe auch schon
die Bauteilwerte für die Sallen Key Filter berechnet und das ganze auch
mit LTSpice simuliert- sieht gut aus.

Der Tiefpass hat eine Gruppenlaufzeit von ca. 9ms- der Hochpass nicht
Sollte man das noch korrigieren (nachdem, was ich bis jetzt über
Allpass- Filter gelesen habe bräuchte man da eine recht hohe Filterordnung)?

Oder lässt man das einfach so?

Danke,
Heiko.

Fri Feb 05, 2010 2:33 pm   

"Heiko Lechner" <no.spam.to.me_at_ish.de> schrieb im Newsbeitrag
news:7t2hsbF6u5U1_at_mid.dfncis.de...

Du mußt bedenken, daß der Sattelit auch eine untere Grenzfrequenz hat,
wahrscheinlich die 50Hz. Zusammen mit dem schlappen 6dB Filter ergibt sich
dann ein Hochpass von wenigstens 3. Ordnung, wahrscheinlich aber 5. Ordnung,
wenn der Satellit eine Bassreflex Konstruktion ist. Das paßt dann mit der
phasenlage noch schlechter und es gibt Überhöhungen/Auslöschungen in einem
großen Bereich.
Besser wäre es die Reflexöffnung zu schließen und bei der nun wesentlich
höheren Resonanzfrequenz mit einem Linkwitz-Riley Filter 4.Ordnung zu
trennen. Dabei wird der Hochtöner einen HP 2. ordnung bekommen, der zusammen
mit der Übertragungsfunktion des Lautsprechers arbeitet, und den Sub mit 2
kaskadierten Butterworth Tiefpaß-Filtern 2.Ordnung abzutrennen. Das ergibt
ein symmetrisches Filter mit glattem Amplitudenspektrum.

ciao Ban

Fri Feb 05, 2010 3:18 pm   

Am 05.02.2010 14:33, schrieb Ban:


Ich vergaß zu erwähnen, dass es nicht um eine Aktivbox geht. Ich möchte
eine Subwoofer- Weiche zwischen Vor- und Endstufe einschleifen.

Also die Boxen sind alle schon fertig und bleiben auch unverändert ;)

Danke,
Heiko.

Fri Feb 05, 2010 4:29 pm   

Hallo,

Heiko Lechner wrote:

das macht keinerlei Unterschied bei der Betrachtung.

Je nach Boxentyp hat man es mit zusätzlichen Polen in der
Übertragungsfunktion (Filterordnungen) zu tun.

- geschlossen: HP 2. Ordnung
- BR-Box: HP 4. Ordnung
- BR-Box mit Hochpass davor (gibt es glaube ich nur aktiv): HP 6. Ordnung

Dieser Hochpass wird automatisch Teil der Auslegung und die aktive
Weiche damit boxenspezifisch. Vernachlässigen kann man das ganze nur,
wenn die übergangsfrequenz der Weiche wenigstens bei 3*fc der Box liegt.
Aber das will niemand.

Empfohlene Vorgehensweise:

- BR-Öffnungen der Boxen (falls vorhanden) verstopfen.

- Thiele-Small-Parameter vom Bass im eingebauten Zustand messen.

- Daraus (Resonanz und Güte) einen äuqivalenten HP 2. Ordnung berechnen.

- Diesen Hochpass als Filter modellieren, aber nicht bauen.

- Einen weiteren Hochpass 2. Ordnung modellieren und später bauen.

Das wird der eigentliche Hochpass der aktiven Weiche.

- Den Tiefpass als 4. Ordnung modellieren und später bauen.
Das gibt den Zweig für den Sub.

- Den Sub muss man ebenfalls ausmessen und dessen Hochpass mit
modellieren. Dieser erzeugt nämlich zusätzliche Gruppenlaufzeit im
Übergangsfrequenzbereich. Und nichts für ungut: für 50Hz
Übergangsfrequenz müsste der Sub schon >300 Liter haben, damit dieser
Hochpass nicht über alle Maßen stört. Auch Passivmembranen retten hier
nicht, weil sie ordentlich Gruppenlaufzeit erzeugen.

- Die Abstimmung der Filter (mit Ausnahme der simulierten Box) so lange
ändern, bis ein vernünftiger Übergang im Frequenzbereich +- eine Oktave
statt findet.

- Es gilt dabei Koeffizienten zu finden, die zusammen mit dem HP2 der
Box ein vernünftiges Filter bilden. Dabei ist sinnvollerweise auch die
Übergangsfrequenz eine (in Grenzen) freie Variable.

- Vernünftig ist bei einer Sub-Weiche erstens Phase-Match, zweitens
halbwegs gleiche Intensität über der Frequenz. Die Intensität bitte
verktoriell berechnen, also mit Phase.

- Ich würde bei der Auslegung des Filters von Bessel Abstand nehmen.
Damit bekommt man das Phase-Match nicht gut hin. Im Ergebnis arbeiten
Sub und Boxen gegeneinander. (Das ist das Spiel mit der Gruppenlaufzeit)
Ein Butterworth-Filter verhält sich hingegen gutmütig. Es liefert bei
identischer Übergangsfrequenz von HP und TP einen nahezu idealen
Übergang. Da allerdings der implizite Hochpass des Subs auch mitmischt,
wird es selten so schön einfach.

- Ein steileres Filter hat einen schmaleren Übergangsbereich und macht
damit den Bereich in dem die Phase passen muss schmaler.

- Aufgrund der durch die Boxen und durch den Sub vorgegebenen Hochpässe
wird man bei der Abstimmung Kompromisse machen müssen.

- Eine ähnlich große Gruppenlaufzeit der beiden Filterzweige ist eine
notwendige aber nicht hinreichende Bedingung. Die Gruppenlaufzeit könnte
auch gleich sein, wenn die beiden komplett in Gegenphase arbeiten.

- Von 50Hz Übergangsfrequenz würde ich ebenfalls Abstand nehmen. Das ist
unnötig tief. Wenigstens 70-80Hz macht die Sache gutmütiger und
entlastet die Satelliten. Allerdings wird mit steigender Frequenz auch
die Raumaufstellung des Subs kritischer.

- Wenn sich der HP 2. Ordnung der Boxen überhaupt nicht vernünftig in
ein Filter integrieren lässt, weil seine Güte viel zu hoch ist, oder
aber die Frequenz gar nicht passt, packt man in den HP-Zweig zusätzlich
ein ->Linkwitz-Transformationsfilter rein. Damit wird der HP 2.Ordnung
der Boxen durch Pole-Zero-Cancelation annulliert und durch einen neuen,
maßgeschneiderten Hochpass 2. Ordnung ersetzt. Dies hebt auch eventuelle
Gruppenlaufzeiten der Boxenauslegung auf.

- Wenn das alles immer noch nichts hilft, verpasst man auch dem
Sub-Zweig ein Linkwitz-Transformationsfilter und verlängert ihn auf 19Hz
mit Q=0,7 oder so. Dann kriegt man die Buttwerworth-Auslegung ziemlich
nach Lehrbuch mit Pahse-Match hin.

- Wenn man das Phase-Match nicht einigermaßen hinbekommt (±20° im
gesamten Übergangsbereich), wird das Ergebnis irgendetwas zwischen
erbärmlich und schlecht. Da baut man sich besser hinreichend große
BR-Boxen, die auch ohne Sub auskommen. Das ist um Klassen einfacher.

- Das geeier mit Allpassfiltern würde ich, wenn irgend möglich, lassen.
Irgendwann wird nämlich auch der Absolutwert der Gruppenlaufzeit hörbar.
Und das ist schlecht. Man kann das manchmal bei Bandpass-Gehäusen hören.
Dann lieber ein Linkwitz-Transformationsfilter. Das bietet viel mehr
Möglichkeiten und hat ggf. auch eine negative Gruppenlaufzeit.

- Beim Vergleich der Filtertypen hilft u.U.
http://www.maazl.de/electronic/LS/images/lowpass-response.png
http://www.maazl.de/electronic/LS/images/lowpass-delay.png
http://www.maazl.de/electronic/LS/images/highpass-response.png
http://www.maazl.de/electronic/LS/images/highpass-delay.png
Da sieht man auch, dass die Gruppenlaufzeit von Butterworth-Filtern bei
Hoch- und Tiefpass vollkommen synchron läuft.


Marcel

Fri Feb 05, 2010 7:45 pm   

Am 05.02.2010 16:29, schrieb Marcel Müller:

[ganz ganz viel ]

Ok, ich wollte da eigentlich keine Lebensaufgabe draus machen.

Das Teil soll nur bei Filmen ein wenig mehr Bums geben- für Musik bleibt
der sowieso aus.

Mein (bald ausgemusterter) DVD- Player hat z.B. einen Subwoofer Ausgang
und im Menü kann man dann noch einstellen, ob die Hauptboxen groß,
mittel oder klein sind. Es ist schon lange her, aber ich meine, dass das
auch bei Musik funktioniert (also ohne LFE- Track). Da kam auch kein
kleiner Mann raus und hat erstmal alles ausgemessen
So etwas in der Art wollte ich halt direkt einschleifen.

Der Subwoofer ist schon recht stattlich (Magnat Omega 380)- der stammt
noch aus früheren Zeiten. Die Boxen haben aber auch ordentlich Tiefgang
(Canton Ergo RCL), aber ich will nichts wegschmeißen (ok, der Subwoofer
ist auch ein prima Blumenständer ).

Naja ist wohl eher eine Spielerei...

Danke für deine ausführlichen Ausführungen- das werde ich mir auf jeden
Fall auch durch den Kopf gehen lassen.

MfG,
Heiko.

Sat Feb 06, 2010 12:54 pm   

Hallo,

Heiko Lechner wrote:

man muss halt höllisch aufpassen, dass Boxen und Sub nicht in Gegenphase
arbeiten. Sonst hat man nachher weniger oder zumindest nicht mehr Bass
als vorher. Dummerweise ist das Ganze dann Frequenzabhängig.



Und die Boxen brauchen wirklich einen Sub? OK, viel Pegel machen die
untenrum sicher nicht. Aber bei 50Hz würde ich die trotzdem nicht
abtrennen. Vielleicht hat man bei 100Hz Glück und die Gruppenlaufzeit
ist fast bei null, dann muss man sich nicht viel Mühe geben. Ein
Linkwitz-Filter sehe ich bei den LS eher nicht.

Der Sub hat allerdings schon eine aktive Weiche drin. Da müsste man
wissen, wie die Ausgelegt ist (Güte), dann kann und sollte man sie mit
benutzen. Wenn er zum Zuspielen für nicht sonderlich abgestimmte
Auslegungen gedacht ist, dürfte es Linkwitz-Riley 4. Ordnung sein. Das
ist natürlich nicht sonderlich steilflankig, aber dafür ist die
Gruppenlaufzeit gutmütig. Da kann man noch ein LR4-Filter für die
Satelliten dazu hängen und gut ist es - jedenfalls, wenn man die
Übergangsfrequenz hoch genug wählt. Bei 100Hz Übergangsfrequenz läuft
der Sub bei LR4 natürlich noch bis knapp über 200Hz hörbar mit. Das kann
man schon orten. Aber nur um mal Heimkino zu gucken ist das allemal gut.
Die allermeisten Heimkinosysteme sind viel, viel schlechter.

Man muss nur mit den Übergangsfrequenzen bei LR4 aufpassen, die müssen
leicht unterschiedlich sein. Näheres dazu gibt es auf der Homepage von
Siegfried Linkwitz. Ich glaube, der -6dB Punkt muss gleich sein, nicht
der -3dB-Punkt wie bei Butterworth.



Viel Spaß beim Basteln! Wenn man gut weg kommt reicht ja ein
zweistufiger Sallen-Key Hochpass 4. Ordnung für die Satelliten.

Ich würde es wohl messen. Geht übrigens ganz gut mit dem PC, selbst mit
räudiger Soundkarte. Und wenn man nur Phase-Match ausmessen möchte, tut
es nahezu jedes beliebige Elektret-Mikro, was bei diesen Frequenzen noch
etwas tut. Man will ja schließlich nur die /relative/ Phase. Die Messung
muss man nur im Garten machen, um Raumeinflüsse weitgehend zu vermeiden.


Marcel

Sat Feb 06, 2010 1:42 pm   

Am 06.02.2010 12:54, schrieb Marcel Müller:


Da ich nicht in einem "Tempel" wohne ist die Tiefbasswiedergabe
erwartungsgemäß eh nicht so toll.


Nicht wirklich, aber es ist nun mal einer da ;)


Och, geht, s.u.


Die Boxen sind (von Haus aus) aktiv entzerrt- da ist so eine kleine Box,
die man in die "Verstärkerkette" einschleift, bei. Dadurch gehen die
schon etwas tiefer als die "normalen" Ausführungen der Boxen.


Es muss eigentlich immer der 6dB- Punkt sein, denn dort ist die Spannung
ja um die hälfte abgesunken (gleiche Phase vorausgesetzt).

Linkwitz ist IMHO eine Reihenschaltung von zwei Butterworth Filtern um
auf die -6dB an der Grenzfrequenz zu kommen.


Das will ich hoffen.


Also Zeug zum messen hätte ich hier.


Und hier kommt das Problem...

Naja, mal sehen.

Danke,
Heiko.

Sun Feb 07, 2010 5:14 pm   

Heiko Lechner schrieb:

Muss man IMHO aufpassen mit dieser Pauschalisierung. Um Butterworth-
filter höherer Ordnung zu kriegen kaskadiert man Butterworth-
Filter gleicher Eckfrequenz, aber unterschiedlicher Güte.

Kaskadiert man einfach zwei gleiche 2polige-Butterworth-Filter erhält man
irgend was, was messtechnisch schwer von einem 4 poligen Bessel zu unter-
scheiden ist. Die Grenzfrequenz ist allerdings dann anders (sqrt(2) oder
so was), dafür hat man Überschwingen in der Pulsantwort, Laufzeitverzer-
rungen usw., sodass ich da lieber gleich ein Besselfilter genommen hätte.
Hier bin ich anderer Meinung als Marcel.

Schon ein 4 Poliges LP-Butterworth-Filter hat über 10% Überschwingen und
kräftige Exkursionen in der Laufzeit in der Gegend der Eckfrequenz, wobei
die Laufzeit tendenziell eh schon doppelt so gross ist wie bei Bessel.

Den Hype um Linkwitz versteh ich eh nicht ganz. Ist eigentlich ein
1 poliges Linkwitzfilter nicht einfach ein RC-Filter?

--
mfg Rolf Bombach

Sun Feb 07, 2010 6:02 pm   

Hallo,

Rolf Bombach wrote:

negativ. Es ist eine Reihenschaltung von zwei Linkwitz Filtern 2. Ordnung.



Naja, Bessel ist eigentlich nur beim Tiefpass schön. Beim Hochpass ist
es schlimmer wie Butterworth. Im Prinzip ist Q=0,577 beim HP sowieso
nichts besonderes, denn die Bedingung mit der konstanten Gruppenlaufzeit
zieht da nicht.
Das mit dem Überschwinger stimmt schon, aber die Phasenanpassung ist
halt bei Bessel halt sauschwer. Un das muss man beim Sub eben
Kompromisse machen. Die meisten BR-Boxen schneiden in der Disziplin aber
auch jämmerlich ab.



2*Ack.

Das viel gescholtene Tschebyscheff-Filter ist noch eine Alternative.
Wenn es auf die Dämpfung weit ab von der Übergangsfrequenz nicht so an
kommt, legt ein Tschebyscheff 2. Ordnung mit 0,5dB Ripple ganz gut vor.
Die Gruppenlaufzeit ist auf dem Level von Bessel-4 und bis ca. -17dB
trennt es sogar besser als Bessel-4. Vor allem kann man das auch gut in
passiven Weichen verwenden. Nur die Impedanz geht dabei etwas in den
Keller. Allerdings ist die Phasenanpassung auch bei Tschebyscheff nicht
ohne.


Marcel

Sun Feb 07, 2010 6:04 pm   

Rolf Bombach <rolfnospambombach_at_invalid.invalid> wrote:

Huch? AFAIK ist Butterworth immer flach im Durchgangsbereich.
Oder was meinst du mit "Überschwingen"? Sprungantwort?


Die Idee ist wohl, den Phasengang bei der Übernahmefrequenz soweit
anzugleichen, daß es keine Interferenz zwischen den Lautsprechern
gibt. Die Amplitudenbedingung kann man anders auch einhalten, man
muß Hoch- und Tiefpaß nur soweit auseinanderschieben, daß sie bei
der Trennfrequenz jeweils 6dB Dämpfung haben.

Bei meinen Exkursionen ins Reich der Aktivfilter im Audiobereich
habe ich gelernt, daß ich zwischen Bessel und Butterworth keinen
Unterschied höre. Seit 8-polige SC-Filter einfach erhältlich sind,
nehme ich allerdings im Zweifel Bessel. Die sind dann schon steil
genug und haben das schönere Laufzeitverhalten.


XL

Sun Feb 07, 2010 6:25 pm   

Am 07.02.2010 18:04, schrieb Axel Schwenke:

Hallo,

ja - "Überschwingen" bei Filtern bezieht sich auf die Sprungantwort.
Überschwingen könnte bei Audiofiltern durchaus hörbar sein

http://www.google.de/search?q=Filter+Bessel+Butterworth+Sprungantwort


Bernd Mayer

Sun Feb 07, 2010 7:57 pm   

"Rolf Bombach" <rolfnospambombach_at_invalid.invalid> schrieb im Newsbeitrag
news:hkmotl$pah$1_at_news.eternal-september.org...

L-R Filter 4.Ordnung , wenn man davon einen tief- und hochpaß summiert
ergibt sich ein glatter Frequenzgang, Mit der Phase sieht es nicht ganz so
gut aus, wir haben bei 50 Hz schon eine ziemliche Gruppenlaufzeit von 26ms,
Ein 4-pole Besselfilter würde nur 15ms haben.
Butterworth hat immer die Güte 1/sqrt2. Schau mal in den Tietze Schenk.



ciao Ban

Sun Feb 07, 2010 8:25 pm   

Ban schrieb:


Ich habe damit ganz gute Erfahrungen gemacht:

http://www.elektor.de/StreamFile.lynkx?path=Uploads/Forum/Posts/Aktiv-Filter.pdf

Gruß,

Rainer

Sun Feb 07, 2010 8:32 pm   

Am 07.02.2010 19:57, schrieb Ban:


Bei der ersten Ordnung sind alle gleich, da die Grenzfrequenz vom
Tiefpass nun mal so ist wie sie ist

Mon Feb 08, 2010 10:59 am   

Am 07.02.2010 20:25, schrieb Dr. Rainer Meergans:


Auch ein ganz lustiger Ansatz.