DE19533946A1 - Loudspeaker crossover method for dividing signal into frequency bands - Google Patents
Loudspeaker crossover method for dividing signal into frequency bandsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Gattungs begriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method according to the genus Concept of claim 1 and a circuit arrangement to carry out the procedure.
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.Is a signal to be transmitted broadband than that for Available converters, the total signal must be divided into several Frequency bands are broken down. These frequency bands are then optimized transducers (tweeters, midrange speakers, woofers) reproduced. Those of the mid-high and woofers reproduced sub-frequency bands add up in the air back to an overall signal that is so close to the original signal should come as possible.
Lautsprecher, die nach diesem Prinzip arbeiten, nennt man Mehrwege-Lautsprecher.Speakers that work according to this principle are called Multi-way speakers.
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.The division of the original signal into several frequency bands takes place in so-called crossovers. For passive speakers the frequency mix is divided by passive filter Circuits with coils capacitors and resistors reached. Active loudspeakers usually use active ones Crossovers with operational amplifiers, transistors, Capacitors and resistors.
Üblich sind Frequenzweichen mit Butterworth-, Linkwitz Riley- Filter oder Besselfilter erster bis vierter Ordnung.Crossovers with Butterworth and Linkwitz Riley are common Filters or Bessel filters of first to fourth order.
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.A disadvantage of the above known switch types with the exception of the Filters 1st order is the fact that the group delay the sum signal of the sub-frequency bands is not constant. This property causes phase distortion, especially at Wide bandwidth signals (e.g. impulsive music) into one cause significant distortion of the original signal. Only crossovers with 1st order filters have one linear sum sound pressure with constant phase and constant Group term. The radiated power is also in Dependence on the frequency constant. Due to the very weak filter effect of 1st order filters (6 dB / octave) there is a very poor radiation behavior when not coincident drivers. At the same time, there is a risk that the Drivers can be controlled with frequency components that they are not can process more cleanly.
Es ist ein weiterer Weichentyp bekannt, der eine konstante Gruppenlauf zeit des Summensignals ermöglicht.Another type of switch is known which is constant Group run time of the sum signal enables.
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)It is the so-called subtraction filter. They meet the following condition:
Gl (s) + Gh (s) = 1 (1)
with Gl (s) = low pass and Gh (s) = high pass
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.With this type of filter, for example, they become high-pass filters complementary low pass function by subtracting the Output signal of the high-pass filter with the original signal reached.
1-Gl(s) = Gh(s) (3)1-Gl (s) = Gh (s) (3)
Ebenso wird die zum Tiefpaß komplementäre Hochpaßfunktion durch Subtraktion des Ausgangssignals des Tiefpaß vom Originalsignal erreicht.The high-pass function, which is complementary to the low-pass filter, is also carried out Subtraction of the low-pass output signal from the original signal reached.
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.The disadvantage of this switch is that it results from the subtraction filter effect resulting from the input signal is very low, and essentially the same disadvantages as one Soft 1st order result. Another disadvantage of this switch is that the sound pressure is linear, but the radiated Performance shows an increase in the takeover area. Another disadvantage of this switch is that there is an increase in the takeover plate, which does not show the radiation behavior at coincident speakers deteriorated further.
Fig. 2 zeigt den simulierten Schalldruck und die Schalleistung der o.g. bekannten Weiche. Fig. 2 shows the simulated sound pressure and the sound power of the above known switch.
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.Another family of crossovers is known, the "delay derived "crossovers from Stanley P. Lipshitz and John Vanderkoy. They were at the 69th audio convention Engeneering Society introduced in 1981. ("A family of linear phase Crossover Networks of High Slope derived by Time Delay "page 374. . . 392 An antology of articles on loudspeakers from the pages of the journal of the Audio Engineering Society Vol. 26-Vol. 31). These crossovers both achieve a constant Group runtime as well as a strong filter effect.
Das Grundprinzip dieser Weiche beschreibt folgende Formel:
Gl(s) + Gh(s) = e-ts (4)The basic principle of this switch describes the following formula:
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.Unfortunately, with this type of switch it is necessary for a very long time Realize delay times (approx. 200 ps) based on analog Routes can usually be realized with all-pass filters. You want to the phase error caused by the all-pass filter itself will keep small, so the all-pass must have a high Have "cutoff frequency". It follows that very many all-passports are necessary to achieve the required delay. With reasonable effort these delays can only be generate digitally. The digital realization in turn has Consequence that once per digital frequency band converted digital / analog must be, which is also a very high cost. You want to Play analog sound sources through this speaker extra Analog / digital conversion, which is also a significant one is additional effort.
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.The aim of the invention is to overcome the disadvantages mentioned above. Crossovers too avoid and develop a process that a Original signal divided into several sub-frequency bands so that the sum signal, which results from the summation of the Single frequency bands gives both constant amplitude as well has a constant group term.
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.The filter effect should be sufficiently high so that the connected drivers only work in the optimal range. As well should an analog implementation even at low frequencies (e.g. Subwoofer). An arrangement according to the invention is intended to simple means to be inexpensive to implement.
Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht.This is achieved by the method according to the invention.
Das Erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mathematisch wie folgt
ausdrücken:
1-Gh(s)*e-ts = Gl(s) (5)The method according to the invention can be expressed mathematically as follows:
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.with Gl (s) = low pass and Gh (s) = high pass e -ts = delay by t;
The frequency mix to be split (original signal) is divided into a high-pass channel and a low-pass channel. The low-pass channel is generated according to the invention in that the time-delayed high-pass filtered original signal is subtracted from the original signal itself.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung. Fig. 1 shows a block diagram of an arrangement according to the invention.
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.The (original signal) ( 1 ) is filtered in any electrical high-pass filter ( 2 ) and, together with the electrical delay device ( 4 ), forms the high-pass channel, the output signal ( 5 ) of which is given to the summation point ( 12 ) with a negative sign. Both the undelayed (3) and the delayed high-pass signal ( 5 ) can be used to control a tweeter or another filter according to the invention, for example.
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.In order to predominantly equalize the high-pass behavior and non-ideal properties of the connected loudspeaker, equalization network ( 7 ) or ( 8 ) is additionally looped in. The low-pass signal ( 11 ) is generated by subtracting the output signal ( 5 ) from the original signal ( 1 ).
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.The low-pass channel is formed by any additional electrical low-pass filter ( 6 ) and the additional equalization network ( 9 ), which compensates for the non-ideal properties of the connected one. The output signal of the low-pass channel serves, for example, as a control signal for a woofer or another filter according to the invention.
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.The inventive delay of the high-pass branch causes one significant steepening of those generated by the subtraction Low pass function. The one that rises again after the notch Damping has hardly an adverse effect because the damping of the Speaker is already very high here. At the same time compared to a subtraction switch according to the prior art likewise the difference between sound pressure and radiated Performance significantly improved.
Fig. 2 zeigt die simulierten Frequenz- und Phasengänge einer bekannten Subtraktionsweiche nach Gleichung (3). Fig. 2 shows the simulated frequency and phase response indicates a known Subtraktionsweiche according to equation (3).
Fig. 3 zeigt die simulierten Frequenzgänge einer erfindungsgemäßen Frequenzweiche gem. Fig. 1. und Gleichung (4). Fig. 3 shows the simulated frequency responses of a crossover according to the invention. Fig. 1. and equation (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.An advantage of the method according to the invention is that the filter effect of subtraction filters is significantly improved in a simple manner, but the property of the phase linearity is fully retained. The polar radiation behavior is also significantly improved. In contrast to the "delay-derived" crossovers, only a very short delay time is required, which is very easy due to an analog all-pass 1 . Order is achieved. The frequency and phase responses in FIG. 3 are all-pass 1 . Order with a cut-off frequency of 44 kHz was achieved. The additional circuit complexity in the exemplary embodiment for a crossover according to the invention is only a first-order all-pass. It is possible with the invention to implement crossovers with simple economic means, the sum signal of which has a constant phase and at the same time avoids the disadvantages of the prior art.
Wie als später als ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel beschrieben, ist sogar eine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens als passive Frequenzweiche möglich.As later as an advantageous embodiment described, is even a realization of the invention Procedure possible as a passive crossover.
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.In an advantageous development of the invention, using the inventive method also crossovers realize more than 2 ways by several according to the invention Subtraction filters can be cascaded.
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.Both the low-pass output and the delayed high pass output or the undelayed high pass output as an input signal for further inventive Subtraction filters are used. The individual according to the invention Delayed high-pass channels can be affected by both the input signal concerned filter as well as subtracted from the original signal will.
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.In an advantageous embodiment of the invention, one for central subwoofer achieved particularly suitable arrangement. At Application of the inventive method can by additional low-pass filter in the low-frequency branch of an inventive. Give way to the relative delay of the mid-high range satellites with regard to a central subwoofer due to the typical spatial arrangement can be compensated very advantageously. Thereby will be another significant improvement in filtering reached.
Auch in Verbindung mit passiven Satelliten-Lautsprechern ergibt sich eine deutliche Verbesserung des Phasenverhalten bei tiefen bis mittleren Frequenzen.Also results in connection with passive satellite speakers a significant improvement in phase behavior at low to medium frequencies.
Das Hochpaßfilter im erfindungsgemäßen Filter dient vorzugsweise dazu, das Hochpaßverhalten des passiven Satelliten-Lautsprechers nachzubilden, während die Satelliten direkt vom Originalsignal gespeist werden.The high-pass filter in the filter according to the invention is preferably used the high-pass behavior of the passive satellite speaker replicate while the satellites jump from the original signal be fed.
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.The inevitable phase error caused by the High-pass behavior of the satellite speakers themselves can be caused by a crossover according to the invention almost completely compensated will. The prerequisite is that the satellite is a constant Group delay in the range of the takeover frequency between Has tweeters and bass-midrange speakers. Only the phase error due to the high-pass behavior of the subwoofer itself remains receive.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 7 beschrieben. Sehr vorteilhaft läßt das erfindungsgemäße Verfahren auch durch eine Anordnung mit passiven Bauelementen realisieren. An advantageous embodiment of the invention is in claim 7 described. The inventive method leaves very advantageous can also be realized by an arrangement with passive components.
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.The high pass function can be done with simple economic Realize funds also with passive components. The all-pass function is also easy with passive components realized, since the delay according to the invention also with All-pass first or second order is easily achieved. The subtraction is done purely passively with a loudspeaker at least two voice coils are made, two of which can be driven in phase opposition.
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.Crossovers according to the invention can be very advantageously used in Use speakers where the woofers or midrange speakers are used are arranged symmetrically around a tweeter. These Loudspeaker arrangement improves the radiation behavior of the subtraction switch according to the invention.
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.Crossovers according to the invention can also be extremely advantageous can be used in so-called coaxial chassis. The ideal of phase-linear point sound source is reached. An optimum with a Tannoy Coax Horn be achieved because of the delay of an additional filter according to claim 2 by the spatial design of the acoustic Centers of the connected speakers according to claim 5 is realized in an ideal way.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous configurations result from the Subclaims.
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