DE19533946A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Aufteilung eines Frequenzgemisches auf mehrere Teilfrequenzbänder insbesondere für Lautsprecher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Gattungs­ begriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Ist ein zu übertragendes Signal breitbandiger als die zur Verfügung stehenden Wandler, muß das Gesamtsignal in mehrere Frequenzbänder zerlegt werden. Diese Frequenzbänder werden dann von optimierten Wandlern (Hochtöner, Mitteltöner, Tieftöner) wiedergegeben. Die von den Mittel- Hoch- und Tieftöner wiedergegebenen Teilfrequenzbänder summieren sich in der Luft wieder zu einem Gesamtsignal, welches dem Originalsignal so nahe wie möglich kommen soll.

Lautsprecher, die nach diesem Prinzip arbeiten, nennt man Mehrwege-Lautsprecher.

Die Aufteilung des Originalsignals auf mehrere Frequenzbänder erfolgt in sogenannten Frequenzweichen. Bei Passiv-Lautsprechern wird die Aufteilung des Frequenzgemisches durch passive Filter- Schaltungen mit Spulen Kondensatoren und Widerständen erreicht. Bei Aktiv-Lautsprechern verwendet man üblicherweise aktive Frequenzweichen mit Operationsverstärkern, Transistoren, Kondensatoren und Widerständen.

Üblich sind Frequenzweichen mit Butterworth-, Linkwitz Riley- Filter oder Besselfilter erster bis vierter Ordnung.

Nachteilig bei o.g. bekannten Weichentypen mit Ausnahme des Filters 1. Ordnung ist die Tatsache, daß die Gruppenlaufzeit des Summensignals der Teilfrequenzbänder nicht konstant ist. Diese Eigenschaft bewirkt Phasenverzerrungen, die vor allem bei Signalen mit großer Bandbreite (z. B. Impulsreiche Musik) zu einer beträchtlichen Deformierung des Originalsignals führen. Lediglich Frequenzweichen mit Filtern 1. Ordnung besitzen einen linearen Summenschalldruck bei konstanter Phase und konstanter Gruppenlaufzeit. Ebenso ist die abgestrahlte Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz konstant. Bedingt durch die sehr schwache Filterwirkung der Filter 1. Ordnung (6 dB/ Oktave) ergibt sich ein sehr schlechtes Abstrahlverhalten bei nicht koinzidenten Treibern. Gleichzeitig besteht die Gefahr, daß die Treiber mit Frequenzanteilen angesteuert werden, die sie nicht mehr sauber verarbeiten können.

Es ist ein weiterer Weichentyp bekannt, der eine konstante Gruppenlauf zeit des Summensignals ermöglicht.

Es sind die sogenannten die sogenannten Subtraktionsfilter. Sie erfüllen folgende Bedingung:
Gl(s) + Gh(s) = 1 (1)
mit Gl(s) = Tiefpaß und Gh(s) = Hochpaß
1-Gh(s) = Gl(s) (2)

Bei diesem Filter-Typ werden beispielsweise die zum Hochpaßfilter komplementäre Tiefpaßfunktion durch Subtraktion des Ausgangssignales des Hochpaßfilters mit dem Originalsignal erreicht.

1-Gl(s) = Gh(s) (3)

Ebenso wird die zum Tiefpaß komplementäre Hochpaßfunktion durch Subtraktion des Ausgangssignals des Tiefpaß vom Originalsignal erreicht.

Nachteilig an dieser Weiche ist, daß die sich aus der Subtraktion mit dem Eingangssignal ergebende Filterwirkung sehr gering ist, und sich im Wesentlichen die selben Nachteile wie bei einer Weiche 1. Ordnung ergeben. Weiterhin nachteilig bei dieser Weiche ist, daß zwar der Schalldruck linear ist, aber die abgestrahlte Leistung eine Überhöhung in den übernahmebereich zeigt. Ebenso nachteilig an dieser Weiche ist, daß sich eine Überhöhung im Übernahmebeelch ergibt, welche das Abstrahlverhalten bei nicht koinzidenten Lautsprechern weiter verschlechtert.

Fig. 2 zeigt den simulierten Schalldruck und die Schalleistung der o.g. bekannten Weiche.

Es ist eine weitere Frequenzweichenfamilie bekannt, die "delay derived" Frequenzweichen von Stanley P. Lipshitz und John Vanderkoy. Sie wurden auf der 69.ten Convention der Audio Engeneering Society 1981 vorgestellt. ("A family of Linear-Phase Crossover Networks of High Slope derived by Time Delay" Seite 374 . . . 392 An antology of articles on loudspeakers from the pages of the journal of the Audio Engineering Society Vol. 26-Vol. 31). Diese Frequenzweichen erreichen sowohl eine konstante Gruppenlaufzeit als auch eine starke Filterwirkung.

Das Grundprinzip dieser Weiche beschreibt folgende Formel:
Gl(s) + Gh(s) = e^-ts (4)

Leider ist es bei diesem Weichentyp notwendig, sehr lange Verzogerungszeiten zu realisieren (ca. 200 ps), die auf analogem Wege üblicherweise mit Allpaßfiltern realisiert werden. Will man den Phasenfehler, der durch die Allpaßfilter selbst verursacht wird, klein halten, so müssen die Allpässe eine hohe "Grenzfrequenz" haben. Daraus folgt, daß sehr viele Allpässe notwendig sind, um die geforderte Verzögerung zu erreichen. Mit vertretbaren Aufwand lassen sich diese Verzögerungszeiten nur digital erzeugen. Die digitale Realisierung wiederum hat zur Folge, daß pro Teilfrequenzband einmal digital/analog gewandelt werden muß, was ebenfalls ein sehr hoher Aufwand ist. Will man analoge Tonquellen über diesen Lautsprecher wiedergeben muß extra Analog/ Digital gewandelt werden, was ebenfalls ein erheblicher zusätzlicher Aufwand ist.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile o.g. Frequenzweichen zu vermeiden und ein Verfahren zu entwickeln, welches ein Originalsignal in mehrere Teilfrequenzbänder so aufgeteilt, daß das Summensignal, welches sich aus der Summation der Einzelfrequenz-bänder ergibt, sowohl konstante Amplitude als auch eine konstante Gruppenlaufzeit hat.

Dabei soll die Filterwirkung ausreichend hoch sein, damit die angeschlossenen Treiber nur im optimalem Bereich arbeiten. Ebenso soll eine analoge Realisierung auch bei tiefen Frequenzen (z. B. Subwoofer) möglich sein. Eine erfindungsgemäße Anordnung soll mit einfachen Mitteln kostengünstig zu realisieren sein.

Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht.

Das Erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:
1-Gh(s)*e^-ts = Gl(s) (5)

mit Gl(s) = Tiefpaß und Gh(s) = Hochpaß e^-ts = Verzögerung um t;
Das aufzuteilende Frequenzgemisch (Originalsignal) wird in einen Hochpaßkanal und einen Tiefpaßkanal aufgeteilt. Der Tiefpaßkanal wird erfindungsgemäß dadurch erzeugt, daß das zeitverzögerte hochpaß-gefilterte Originalsignal vom Originalsignal selbst subtrahiert wird.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Das (Originalsignal) (1) wird in einem beliebigen elektrischen Hochpaß (2) gefiltert und bildet zusammen mit der elektrischen Verzögerungseinrichtung (4) den Hochpaßkanal, dessen Ausgangssignal (5) mit negativen Vorzeichen auf den Summationspunkt (12) gegeben wird. Sowohl das unverzögerte (3) als auch das verzögerte Hochpaßsignal (5) können zur Ansteuerung beispielsweise eines Hochtöners oder einer weiteren erfindungsgemäßen Filters dienen.

Um vorwiegend das Hochpaßverhalten und nicht ideale Eigenschaften des angeschlossenen Lautsprechers zu entzerren, wird Entzerrnetzwerk (7) oder (8) zusätzlich eingeschleift. Das Tiefpaßsignal (11) wird erzeugt, indem das Ausgangssignal (5) vom Originalsignal (1) subtrahiert wird.

Der Tiefpaßkanal wird durch das zusätzliche beliebige elektrische Tiefpaßfilter (6) und das zusätzliche Entzerrnetzwerk (9) gebildet, welches die nicht idealen Eigenschaften des angeschlossenen kompensiert. Das Ausgangssignal des Tiefpaßkanals dient beispielsweise als Ansteuersignal eines Tieftöners oder eines weiteren erfindungsgemäßen Filters.

Die erfindungsgemäße Verzögerung des Hochpaßzweiges bewirkt eine deutliche Versteilerung der durch die Subtraktion erzeugten Tiefpaßfunktion. Die nach der Kerbstelle wieder ansteigende Dämpfung hat kaum nachteilige Wirkung, da die Eigendämpfung des Lautsprechers hier schon sehr hoch ist. Gleichzeitig wird gegenüber einer Subtraktionsweiche nach dem Stand der Technik ebenso der Unterschied zwischen Schalldruck und abgestrahlter Leistung wesentlich verbessert.

Fig. 2 zeigt die simulierten Frequenz- und Phasengänge einer bekannten Subtraktionsweiche nach Gleichung (3).

Fig. 3 zeigt die simulierten Frequenzgänge einer erfindungsgemäßen Frequenzweiche gem. Fig. 1. und Gleichung (4).

Vorteilhaft am erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß auf einfache Weise die Filterwirkung von Subtraktionsfiltern wesentlich verbessert wird, aber die Eigenschaft der Phasenlinearität voll erhalten bleibt. Auch das polare Abstrahlverhalten ist deutlich verbessert. Im Gegensatz zu den "Delay-Derived" Frequenzweichen wird nur eine sehr kurze Verzögerungszeit benötigt, die sehr leicht durch einen analogen Allpaß 1. Ordnung erreicht wird. Die Frequenz- und Phasengänge in Fig. 3 sind mit einem Allpaß 1. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 44 Khz erreicht worden. Der zusätzliche Schaltungsaufwand im Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Frequenzweiche ist nur ein Allpass 1. Ordnung. Es ist durch die Erfindung möglich, mit einfachen wirtschaftlichen Mitteln Frequenzweichen zu realisieren, deren Summensignal konstante Phase hat, und gleichzeitig die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Wie als später als ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel beschrieben, ist sogar eine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens als passive Frequenzweiche möglich.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Frequenzweichen mit mehr als 2 Wegen realisieren, indem mehrere erfindungsgemäße Subtraktions-Filter kaskadiert werden.

Sehr einfach können sowohl der Tiefpaßausgang als auch der verzögerte Hochpaßausgang oder der unverzögerte Hochpaßausgang als Eingangssignal für weitere erfindungsgemäße Subtraktionsfilter dienen. Die einzelnen erfindungsgemäß verzögerten Hochpaßkanäle können sowohl vom Eingangssignal der betreffenden Filter als auch vom Originalsignal subtrahiert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine für zentrale Subwoofer besonders geeignete Anordnung erreicht. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch ein zusätzliches Tiefpaß-Filter im Tieftonzweig einer erfindungsgem. Weiche die relative Verzögerung der Mittel- Hochton- Satelliten bezüglich eines zentralen Subwoofers bedingt durch die typische räumliche Anordnung sehr vorteilhaft kompensiert werden. Dadurch wird eine weitere wesentliche Verbesserung der Filterwirkung erreicht.

Auch in Verbindung mit passiven Satelliten-Lautsprechern ergibt sich eine deutliche Verbesserung des Phasenverhalten bei tiefen bis mittleren Frequenzen.

Das Hochpaßfilter im erfindungsgemäßen Filter dient vorzugsweise dazu, das Hochpaßverhalten des passiven Satelliten-Lautsprechers nachzubilden, während die Satelliten direkt vom Originalsignal gespeist werden.

Der unvermeidliche Phasenfehler bedingt durch das Hochpaßverhalten der Satelliten-Lautsprecher selbst kann durch eine erfindungsgemäße Frequenzweiche fast vollständig kompensiert werden. Voraussetzung ist, daß der Satellit eine konstante Gruppenlaufzeit im Bereich der Übernahmefrequenz zwischen Hochtöner und Tiefmitteltöner besitzt. Lediglich der Phasenfehler bedingt durch das Hochpaßverhalten des Subwoofers selbst bleibt erhalten.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 7 beschrieben. Sehr vorteilhaft läßt das erfindungsgemäße Verfahren auch durch eine Anordnung mit passiven Bauelementen realisieren.

Die Hochpaßfunktion läßt sich mit einfachen wirtschaftlichen Mitteln auch mit passiven Bauelementen realisieren. Ebenso wird die Allpaßfunktion einfach mit passiven Bauelementen realisiert, da die erfindungsgemäße Verzögerung auch mit Allpässen erster oder zweiter Ordnung leicht erreicht wird. Die Subtraktion erfolgt rein passiv mit einem Lautsprecher mit mindestens zwei Schwingspulen erfolgen, von denen zwei gegenphasig angesteuert werden.

Sehr vorteilhaft lassen sich erfindungsgemäße Frequenzweichen in Lautsprechern einsetzen, bei denen die Tieftöner oder Mitteltöner symmetrisch um einen Hochtöner angeordnet sind. Diese Lautsprecheranordnung verbessert das Abstrahlverhalten der erfindungsgemäßen Subtraktionsweiche.

Ebenso äußerst vorteilhaft können erfindungsgemäße Frequenzweichen in sog. Coaxial Chassis eingesetzt werden. Das Ideal der phasenlinearen Punktschallquelle ist damit erreicht. Ein Optimum bezüglich Flankensteilheit kann mit einem Tannoy Coax Horn erreicht werden, da die Verzögerung eines zusätzlichen Filters nach Anspruch 2 durch die räumliche Ausgestaltung der akustischen Zentren der angeschlossenen Lautsprecher entsprechend Anspruch 5 in idealer Weise verwirklicht ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Aufteilung eines elektrischen Frequenzgemisch in Teilfrequenzbereiche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefpaßfunktion durch elektrische Subtraktion eines zeitverzögerten Hochpaßsignales vom Originalsignal gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaßkanal, der durch Subtraktion erzeugt wird, zusätzlich mit einem elektrischen Tiefpaß gefiltert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaßkanal zusätzlich mit einer elektrischen Schaltungseinrichtung, welche den Phasen- und Frequenzgang des angeschlossenen Lautsprecher berücksichtigt entzerrt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das verzögerte oder unverzögerte Hochpaßsignal des Hochpaßkanals zusätzlich mit einer elektrischen Schaltungseinrichtung, welche den Phasen- und Frequenzgang des angeschlossenen Lautsprecher berücksichtigt, entzerrt wird.

5. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung des zusätzlichen Tiefpasses nach Anspruch 2 durch räumliche Vorverlagerung des akustischen Zentrums des Lautsprechers, der am Tiefpaßkanal angeschlossen wird, gegenüber dem akustische Zentrums des Lautsprechers, der am Hochpaßkanal angeschlossen wird, bezogen auf eine Abhörpunkt kompensiert wird.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch 1 bis 5.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochpaßfunktion (2) und die Verzögerungseinrichtung (4) durch passive Bauelemente, und die Subtraktion durch gegenphasige Ansteuerung von zwei Schwingspulen eines Chassis mit mindestens zwei Schwingspulen erreicht wird.