Filter
ContentsWarum braucht man Filter?Lautsprecherchassis sind nicht perfekt. Darum müssen jedem Chassis Filter vorgeschaltet werden, die ein unerwünschtes Verhalten korrigieren und das Zusammenspiel mit den anderen Chassis des Lautsprechers optimieren. Beste Frequenzweichen eliminieren in erster Linie detailfressende, Klirr-erzeugende Unsauberkeiten und schützen Chassis vor Betriebszuständen, die zu hohen Verzerrungen führen. Dabei sind verschiedene Vorgehensweisen etabliert. Die erste Entwicklerfraktion schwört darauf, mit möglichst steiler Begrenzung den Übertragungsbereich auf den mittleren, optimal nutzbaren Übertragungsbereich der Chassis zu begrenzen. Die zweite Entwicklerfraktion schwört auf flache Filter (6 dB / Oktave), weil sich analog theoretisch nur damit zeitrichtige Lautsprecher bauen lassen. Die dritte Entwicklerfraktion verwendet mittelstarke Flankensteilheiten (12 - 18 dB / Oktave) im Sinne eines Kompromisses. Solche Abstimmungen sind die am häufigsten anzutreffenden. Sie sind einigermaßen belastbar, wenig aufwändig, vergleichsweise billig unter Berücksichtigung des Gesamtaufwands bei der Entwicklung und bei der Umsetzung innerhalb der Fertigung. |
Datei:Myro Whisky Weiche.jpg Frequenzweiche der Myro Whisky |
Die Chassis verabschieden sich normalerweise knapp oberhalb und unterhalb der Trennfrequenz mit 18 dB/Oktave oder 12 dB/Okt. durch den Chassisverlauf plus z.B. Filter 1. Ordnung (6 dB/Okt.). Diese steilen Flanken sind bei analogen Lautsprechern wegen der starken Phasendrehung ein großes Problem in Bezug auf das Ziel des gleichphasigen, synchronen Einschwingens - der Bildung der Original-Schallform. Interferenzprobleme treten dabei in erster Linie durch nichtsymmetrische Chassisanordnung, in Bezug zur gemeinsam abgestrahlten Frequenz zu große Chassisabstände und durch die erwähnten Phasendrehungen auf. Weite Überlappungsbereiche mit linearem Flankenverlauf und minimalen Phasendrehungen sind, sofern man die symmetrische Anordnung und die ausreichend geringen Abstände einhält, hingegen relativ unproblematisch. Die Summenbildung funktioniert dann so gut, dass sich saubere Signalformen in der Summe ergeben. Findet man bezüglich der genannten Faktoren die richtige Mischung, so ist ein für die Wahrnehmung des Hörers im Abhörbereich gutes Abstahlverhalten erreichbar, und zwar ohne auf die richtige Wandlung der Schallsignale verzichten zu müssen.
Extreme Flankensteilheiten haben bei der Ankopplung verschiedener spezialisierter Chassis ihre Probleme. Dabei findet ein abrupter Übergang vom Abstrahlverhalten des einen (z.B. Tiefmitteltöner) auf den anderen (z.B. Hochtonkalotte) statt. Das ergibt im Polardiagramm (Frequenzgangbetrachtung) ebenfalls deutliche Einbrüche. Dagegen hilft nur ein Diffusor für den Tiefmitteltöner oder eine bündelnde Schallführung für den Hochtöner, wobei dabei ebenfalls ein Ungleichgewicht zwischen Grundtonbereich und Mittelhochtonbereich entsteht. In der digitalen Anfangseuphorie wurden supersteile Filter angewendet, die aus diesem und anderen Gründen wieder zurückgenommen wurden.
Bei vertikaler Chassisanordnung ergibt sich für das vertikale Abstrahlverhalten ein weiterer Aspekt. Betrachten wir die Schallreproduktion der Einschwingvorgänge, so sind steilflankige Übergänge bei nichtsymmetrischer Chassisanordnung in der Regel sogar symmetrischen Anordnungen mit flacheren Übergängen unterlegen. Jede Anwendung verlangt ein auf die spezifischen Aufstellungsbedingungen ausgerichtetes Abstrahlverhalten. Digital und somit auch mit steilen Filtern lässt sich vieles korrigieren. Aber entspricht die Korrektur der Natur des Fehlers und kann sie außerhalb eines bestimmten Bezugspunktes ebenfalls stimmen?
Beispiel 1: |
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Datei:Amur Frequenz.jpg |
Was ist bei den Myro Weichen anders?Die Filter sind die Schlüsselelemente der Lautsprecher von Myro. Finden sich andere konstruktive Elemente auch bei manch anderen Herstellern, so gibt es in den Myro-Frequenzfiltern einzigartige Technologien, welche das präzise Impulsverhalten erst ermöglichen.
Steile Filter und eine Verpolung der Chassis gegeneinander scheiden grundsätzlich aus, weil dadurch die Form der Schallwellen stark verzerrt wird. Einfache Filter erster Ordnung (6 dB / Oktave) finden in der Praxis nicht die Idealbedingungen vor, die für eine korrekte Schallsumme erforderlich wären, da jedes Lautsprecherchassis selbst einen Bandpass darstellt mit den entsprechenden Phasenverschiebungen. Diese addieren sich zu jenen der Filter erster Ordnung. Die 6 dB Filter sind hingegen bei Myro teilweise Bestandteil viel komplexerer Schaltungen, die im wesentlichen die Chassis derart entzerren, dass diese zusammen das richtige Summensignal bilden, und zwar über den gesamten Zeitverlauf. Da die Filter für jedes Chassis und jede Chassis-Kombination individuell ausgelegt werden, gibt es kein einheitliches Schema.
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Die Myro Weichenschaltung lässt Steilheiten von weniger als 6 dB / Okt. in Bereichen zu, wo dies erwünscht ist und erreicht Steilheiten von weit über 30 dB / Okt., wo es erforderlich ist, um einen entsprechenden Fehler zu korrigieren. Für Abweichungen von den 6 dB/Okt.-Flanken gilt, "aber in der Summe linearphasig." Das ist das ausreichende Kriterium für die zeitrichtige Wiedergabe. Ansonsten würden die Sprungantworten nicht perfekt aussehen.
In der Summe entsteht dabei eine Weiche, die im Prinzip "minimalistisch" ist, da sie nur punktuell auf die Fehler jedes Chassis eingeht. Aufgrund dessen lassen sich mit den Myro Frequenzfiltern nur schmalbandige Korrekturen erreichen. Für die Entwicklung impulsdynamisch phasenlinearer Wandler gilt daher: Die Anforderungen an die Übertragungsbandbreite und Linearität sind enorm. Breitbandige Nichtlinearitäten lassen sich hingegen nur mit den eingangs erwähnten Entwicklermethoden korrigieren und taugen daher nicht für zeitrichtige Lautsprecher. Dasselbe gilt für die Serienkonstanz. Und die dynamischen Reserven der verwendeten Systeme müssen überdurchschnittlich sein. So ist die Verwendung hochwertiger Chassis Pflicht und die sorgfältige Vorauswahl zu einem Lautsprecherkonzept ein wesentlicher Bestandteil, um zu einem erfolgreichen Ergebnis zu gelangen.
Es darf kein Fehler in der Konzeption sein, jedes Kriterium ist auch ein Ausschlusskriterium! Solche Anforderungen kosten entsprechend viel Geld.
Datei:La Musica Frequenzweichen.jpg Frequenzweiche der Myro La Musica 2012 |
Die Dualität elektrischer und mechanischer GrößenUm die besonderen Eigenschaften der Myro Frequenzfilter zu erreichen, wurde ein altes technisches Prinzip reaktiviert und neu umgesetzt. Es ist bekannt, dass sich mechanische und elektronische Systeme physikalisch gleich verhalten, wenn ihre dual zueinander stehenden Größen entsprechend gleich vorkommen. Zum Beispiel verhält sich die Reihenschaltung von elektrischen Kondensatoren exakt genau so wie die Parallelschaltung mechanischer Federn. Die Formeln zur Berechnung des Gesamtverhaltens sind in beiden Fällen gleich. Für andere elektrische und mechanische Größen gibt es entsprechende Zusammenhänge. Die Kenntnis um diese Dualität hat man sich zum Beispiel in früherer Zeit, vor dem Computerzeitalter, zu nutze gemacht, um die Stabilität von Brückenbauwerken zu untersuchen. Um die Konstruktion der Brücke möglichst unanfällig gegen Schwingungen zu gestalten, wurden ihre mechanischen Kenngrößen in eine elektrische Schaltung umgesetzt, welche kostengünstig und ohne Gefahr auf ihre Stabilität und Schwingneigung untersucht wurde. Mit diesen Erkenntnissen und zurück gewandelt in mechanische Größen, konnte anschließend ein Bauwerk mit maximaler Stabilität errichtet werden. |
Notch-FilterDie Funktionsweise eines Notch-Filters im Signalweg zum Lautsprecher besteht darin, dass dem Chassis weniger Energie in einem definierten Bereich zugeführt wird. Vieles von dem gilt auch für die Entwicklung digitaler Filter. Man kann nicht nur an einer Stelle den Übertragungsverlauf messen und darauf die Korrekturen anwenden. |
Bauteile
Die Qualität der Frequenzweichenbauteile wird oftmals unterschätzt oder schlicht ignoriert, denn die Frequenzweichen befinden sich im Verborgenen und entziehen sich dem Blick und meistens auch der Fachkenntnis des Betrachters. Dennoch bestimmen sie maßgeblich die Klangqualität. Damit die Frequenzweichenbauteile das Ergebnis nicht wieder mit eigenen Verzerrungen anreichern, müssen sehr hohe Qualitäten verwendet werden. Der Unterschied zwischen einer Bestückung mit "Standard-Qualität" und einer mit exzellenten Bauteilen kann durchaus dem Unterschied von durchschnittlichen zu exzellenten Elektronikkomponenten der Hifi-Anlage entsprechen. Wenn man im Bass mit sogenannten Null-Ohm-Spulen operiert, verliert man kaum etwas an Dämpfung. Manch schlecht sitzende oder oxidierte Steckverbindung oder eine schlechte Lötstelle hat einen höheren Innenwiderstand. Im Interesse des besten klanglichen Ergebnisses finden daher in den Myro Frequenzfiltern ausschließlich sehr hochwertige Bauteile Anwendung. Die Frequenzweichenbauteile werden bei Myro Lautsprechern möglichst direkt miteinander verdrillt. Das zusätzliche Verlöten dient im Wesentlichen der Fixierung. Somit ist ein optimaler Kontakt gewährleistet. Durch die Direktverdrahtung wird die induktive Wechselwirkung von Leiterbahnen und Bauteilen reduziert. Die Bauteile werden zudem durch Dämpfungsmaßnahmen beruhigt, damit Mikrofonieeffekte unterdrückt werden.
Während der Entwicklung der Weichen werden die Bauteile zunächst mithilfe von Kroko-Klemmen verbunden. Die Verbindungen können auf diese Weise schnell variiert werden und die Bauteile haben ausreichend Abstand zueinander. Dies ist wichtig, damit sich insbesondere die Spulen nicht gegenseitig beeinflussen. Ein kleines aber nicht unerhebliches Detail sind die Verbindungskabel mit den Kroko-Klemmen. Die Kontaktstellen können ausreichend hohe Übergangswiderstände aufweisen, um die Auslegung der Bauteilwerte zu manipulieren. Daher wurden eigene Verbindungen geschaffen, die dieses Problem minimieren. Zur Sicherheit wird am Schluss durch Direktverlötung der Bauteile geprüft, besonders bei anfälligen Filtern, ob Kontaktwiderstände im Spiel waren und diese ausgeglichen werden müssen.
Datei:Tower.jpg |
Der analoge AllpassAllpässe sorgen für Phasenverschiebungen, ohne die Amplitude zu ändern. Darum liegt die Vermutung nahe, dass man die akustischen Zentren der Chassis, mit Allpässen beschaltet, elektrisch korrigieren könnte, anstatt sie durch mechanischen Versatz in Übereinstimmung zu bringen. Doch dem ist nicht so. Ein Allpass kann nicht die gesamte Übertragungsbandbreite eines Chassis um eine bestimmte Zeit konstant verzögern. Ein Allpass verschiebt frequenzabhängig Energie. Er weist eine frequenzabhängige Gruppenlaufzeit auf, welche zur frequenzabhängigen Signalverzögerung verwendet werden kann. Da es diese Frequenzabhängigkeit gibt, wird man in der Praxis am realen Lautsprecher mit diesen Folgen konfrontiert. Man muss sich zwangsläufig mit der frequenzabhängigen Wirkweise auseinandersetzen. Die Digitaltechnik bietet hier erweiterte Möglichkeiten. In digitalen Frequenzweichen lassen sich Werte kurzzeitig zwischenspeichern und nach einer definierten Zeit wieder auslesen. Damit erreicht man den digitalen Gegenpart zur analogen Verzögerungsleitung ohne deren Nebenwirkungen. Duch den Einsatz digitaler Frequenzweichen lässt sich damit die Gehäusekonstruktion tatsächlich vereinfachen. |
Wären Aktivlautsprecher besser?
Lautsprecherchassis haben Serienstreuungen - und zwar sehr deutliche, leider auch bei den renommierten Herstellern. Eine sehr gute Signalantwort erhält man nur, wenn (trotz Selektion der Chassis) jeder Lautsprecher einzeln abgestimmt wird. Nicht selten muss man dabei das Schaltungslayout ändern. Bei passiven Lautsprechern kann man das problemlos tun. Bei aktiven Lautsprechern aber, wo entsprechende EU-Richtlinien (EMV) greifen, mit Prüfungen und Konformitätserklärungen, würden die Herstellungskosten und der Aufwand wegen des bürokratischen Aufwands explodieren. Eine so penible Arbeit, wie Myro sie macht, ist passiv leichter machbar. Und es so zu tun bestimmt aller Erfahrung nach viel mehr das klangliche Resultat. Richtig gut abgestimmte passive Filter, unter Berücksichtigung des Chassisverhaltens über dessen zeitlichen Verlauf, führen zu einer Gesamtlast für den Verstärker, die bezüglich Impedanz und elektrischer Phase (über dessen zeitlichen Verlauf) gutmütiger sein kann als ein einzelnes Chassis am Verstärkerausgang. Wenn man im Bass mit sogenannten Null-Ohm-Spulen operiert, verliert man auch kaum etwas an Dämpfung. Manch schlecht sitzende oder oxidierte Steckverbindung oder eine schlechte Lötstelle hat einen höheren Innenwiderstand. Die Endstufe kann man auch direkt an die Lautsprecher stellen, damit es keine langen Kabelwege gibt.
(Kupferfolien-Null-Ohm-Spule + Endstufe direkt an der Box = super Dämpfung)
Außerdem ist die Güte des Basslautsprechers und dessen Einbausituation genauso entscheidend. Die großzügig dimensionierte elektrische / thermische Belastbarkeit der Weichenbauteile vertreibt auch hier die Sorgen.
Das Argument der Endstufenqualität ist auch zu bedenken. Man sollte ungern darauf verzichten, z.B. die Myro Whisky oder die Myro Ocean an einem sehr guten Verstärker wie den Audionet Max zu betreiben. Bei den vorgegebenen Verstärkern in einer Aktivbox ist man aber festgelegt und limitiert. Niemand baut in eine Drei-Wege-Aktivbox Endstufen eines solchen Kalibers ein. Das würde den Grundpreis ins Abseits treiben. Den großen Unterschied gibt es nicht im Konzept - Aktiv / Passiv / Analog / Digital - sondern in der Genauigkeit der Wandlung.
Fehler dabei führen zu viel größeren Klangverzerrungen als die prinzipiellen Unterschiede der genannten Konzepte.
Können digitale Filter alles besser?
Digitale Filter können zwar einige Probleme lösen, sind aber analogen Filtern nicht in allen Punkten überlegen. Mit ihnen kann man zum Beispiel die akustischen Zentren der Chassis korrigieren, ohne dass eine schräge Schallwand erforderlich wäre. Auch können steilflankige Filter ohne starke Phasendrehungen generiert werden. Damit wird die Auswahl geeigneter Chassis erleichtert.
Für die Abstimmung eines digitalen Filters, z.B. eines FIR-Filters, ist es aber ebenso erforderlich, einen Ort zu definieren, auf den sich alle Maßnahmen beziehen: einen definierten Abstand, einen definierten Winkel. Linearisiert man nun die Schallantwort eines Lautsprechers an diesem Ort, so fällt dieses Konstrukt, beispielweise unter einem vertikalen Winkel, bei vertikaler Chassisanordnung in sich zusammen. Und zwar genau so bei steilflankigen Filtern. Interferenzen gibt es nicht nur bei der Überlagerung von eingeschwungenen Tönen, sondern auch bei Impulsen und Einschwingvorgängen aller Art. Unter einem vertikalen Winkel bei vertikaler Chassisanordnung sind die Schalllaufzeiten der unterschiedlichen Chassis zum Erfassungspunkt ungleich. Damit ist die Reproduktion eines Impulses / Einschwingvorganges nicht mehr möglich. Der elektroakustische Wandler wandelt falsch!
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